EP1553286A1 - Dosing valve with a length compensation unit - Google Patents
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- EP1553286A1 EP1553286A1 EP04106517A EP04106517A EP1553286A1 EP 1553286 A1 EP1553286 A1 EP 1553286A1 EP 04106517 A EP04106517 A EP 04106517A EP 04106517 A EP04106517 A EP 04106517A EP 1553286 A1 EP1553286 A1 EP 1553286A1
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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
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- F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
-
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- F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion
Definitions
- the invention relates to a metering valve with actuator unit, Valve unit, fluid supply and length compensation unit.
- PMA P iezoelektrischen M ultilayer ktors A
- the coefficient of thermal expansion strongly depends on the state of polarization and the mechanical and electrical history of the PMA, as well as on the temperature itself in nonlinear dependence, and can have values in the range of -5 ⁇ 10 -6 1 / for one and the same PMA. K up to + 7 ⁇ 10 -6 1 / K.
- the hydraulic compensation element consists of an oil-filled Hydraulic chamber, on the one hand by a cylinder housing and on the other by one in the form of a tight clearance fitted hydraulic piston is limited.
- About the tight clearance and / or a throttle bore is the hydraulic chamber with a storage volume in connection.
- the Storage volume serves on the one hand as a surge tank, in the or overflowed by the oil when the height of the hydraulic chamber changes and on the other hand as a compensator for the thermal volume change of the oil volume itself.
- the storage space must have a previously set basic pressure over the Compensation path and the full temperature range as possible keep constant.
- the entire oil volume must be hermetically sealed be enclosed and may contain no gas bubbles.
- the compensation path for a hydraulic compensation element Among other things, the height of the hydraulic chamber limited in the axial direction and is in typical applications Max. ⁇ 200 ⁇ m.
- the invention is based on the object, a length compensation unit with increased compared to the prior art Compensation path and much simpler structure to provide.
- the invention is based on the recognition that a friction-based Compensation element (FK) for integration of maximum Functionality with given space conditions as Length compensation element can be used.
- FK friction-based Compensation element
- the special construction ensures the possibility of separate construction, Tests and the corresponding installation.
- the invention riktionsbasetti F K ompensationselement is the known concepts H ompensatoren ydraulic K (HK) is superior in the following properties:
- the installation space, in particular the length of an actuator is significantly reduced when using a FK compared to actuator with HK, as the HK must always connect to the actuator in length, while the FK only an additional pipe of small wall thickness is necessary, which is the actuator includes. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter.
- the safe return of the metering valve in the closed State or in the state of rest by means of a return spring happens through an appropriate force in the Valve unit is initiated.
- the introduction can be direct on the valve unit or very beneficial on the FK the valve unit is done. So the closing force can be mechanical or hydraulically (by the FK) are applied, wherein Both parts add up to the closing force.
- the mechanical Proportion that is applied by the return spring serves to secure the valve in the unpressurized state of the injector. Leakage of fluid from the injector can thus reliably prevented even when parked engine become.
- an inert fluid which does not corrosive, used. This encloses the actor and binds it thermally to the outside.
- a metal bellows is used for the separation between the under elevated Fluid pressure standing area of the valve unit of the with Lower pressure applied area of the actuator unit and as a feedthrough element for the valve needle of the actuator unit to the valve unit. Furthermore, to protect the metal bellows before pressure waves one between metal bellows and with Positioned fluid pressure applied area of the valve unit Training fit trained.
- a friction-based compensation element (FK) for tolerance and length compensation for piezo drives will contain as fluid between the components involved a substance with a defined viscosity ⁇ . This viscosity is dependent in particular on the friction surface A.
- a fluid with dilatant properties can be interposed.
- the advantages in this case are also in the increase of the compensation path, which is essentially based on the mechanical construction method.
- the necessary manufacturing accuracy for the components involved or for the filling with the lubricant make high demands on the production of such a bearing.
- the design of a friction-based bearing is characterized by small gaps and by lengthy filling with a lubricant and very expensive.
- a dilatant fluid unlike a highly viscous Newtonian fluid, has a significantly different behavior.
- an increase in shear rate causes the viscosity to increase to solid-like properties.
- the behavior of a dilatant substance corresponds to the requirements of the FK that slow processes such as the compensation of changes in length or component tolerances occur at a low shear rate.
- slow processes such as the compensation of changes in length or component tolerances occur at a low shear rate.
- Compensation element represents a further development and Optimization of the cited prior art with regard to the integration of maximum functionality in given space conditions as prescribed height, outside diameter and simple construction as a modular unit. This can be built separately, tested and installed.
- the FK invention is the known concepts H ydraulic K ompensatoren (HK) in the following properties superior to:
- the space, in particular the length of the piezo drive, is significantly reduced when using a FK compared to a piezo drive with HK, since the HK always has to connect in length to the piezo drive, while in FK only an additional tube of small wall thickness, which includes the actuator unit, is required. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter. Building a FK is much easier than building a HK.
- the FK only requires a tight cylinder fit.
- the volume filled with a high viscosity oil does not have to be filled without gas bubbles.
- An air pocket just serves to the thermal expansion of the volume of oil intercept.
- the valve unit consists of a valve needle 1, whose lower end is formed according to the orientation in the figures in the form of a valve plate 2 and from a cartridge / sleeve 3, in the lower end of a valve seat 4 is ground, which together with the valve plate 2, a cone jet valve forms, wherein the jet cone angle of the exiting fuel by the geometric configuration of the valve plate 2 and the valve seat 4 are set.
- the valve needle 1 is axially guided in the sleeve 3 by two very tight clearance fits 5.6.
- the cross section of the valve needle 1 in the region of the lower fitting 5 has one or more flattenings, so that the fuel in the space between the valve needle and sleeve inner wall of the at least one inlet bore 7 during the injection process can flow freely to the open cone jet valve.
- a metal bellows 8 is hermetically sealed at its lower end with the valve needle 1 and at its upper end hermetically sealed to the valve body 9 by welding.
- BalganBankes causes the high-pressure fuel from the outside acts on the bellows.
- the installation of metal bellows under external pressure loading is recommended by the bellows manufacturers as the more stable variant.
- the metal bellows 8 serves as a high pressure resistant hermetically sealed, but axially soft feedthrough element that does not hinder the required movement of the valve needle 1 for fast opening and closing of the cone jet valve.
- d 1 and d 2 an opening, closing or vanishing pressure-dependent force on the valve needle.
- a path-independent closing force F R is introduced into the valve needle.
- the valve body 9 is hermetically sealed with the sleeve 3 and pressure-stable preferably connected by welding.
- valve unit is up to the state described so far Can be mounted as a separate unit and with the help of suitable Devices in their function testable, such. on Tightness of the welds, tightness of the cone jet valve, Training and characteristics of the cone beam, which costs Saves, as defective valve groups are immediately discarded can not and errors only at a complete injector be detected, thereby discarding the entire injector would have to be.
- the actuator is composed of the P iezoelektrischen M ultilayer A ctor, PMA 12, which is welded under compression between a base plate 13 and a top plate 14 in a tube spring 15 °.
- the compressive prestressing protects the PMA from damaging tensile stresses in highly dynamic operation.
- the piezoceramic behaves stable against compressive stresses, tensile stresses, however, can lead to the destruction of the piezoceramic.
- the effect of the gap suspension between the end faces of the PMA and the corresponding mating surfaces of the top plate 14 and bottom plate 13 is avoided by applying a strong compressive bias, typically from about 500 N - 1000 N, which leads to a soft, mechanical coupling of the top plate 14 and bottom plate 13 leads and therefore can be the cause of losses in the deflection of the actuator unit.
- a strong compressive bias typically from about 500 N - 1000 N
- causes of the occurrence of gap suspension are geometric deviations from the ideal plane-parallel geometry of the PMA end faces.
- the faces are typically made with a tolerance in the parallelism of about ⁇ 50 ⁇ m.
- the head plate 14 also contains holes 16 through which the electrical connections 17 of the PMA are led out centrally from the actuator unit.
- the actuator unit can also be electrically and mechanically tested as a separate module before it is installed in an injector.
- the length compensator consists in a preferred embodiment for use in the described metering valve of two concentric Tubes, the inner tube 18 and the outer tube 19, wherein the outer diameter of the inner tube 18 only slightly is smaller than the inner diameter of the outer tube 19, so that both tubes form a tight clearance.
- a typical one Diameter difference is about 5 microns - 20 microns.
- the fit gap is mixed with a high viscosity fluid, eg. B. Baysilone M 2 000 000 filled, whereby high shear forces between the Inner ear 18 and outer tube 19 at a minimum relative speed can be transmitted.
- a high viscosity fluid eg. B. Baysilone M 2 000 000 filled, whereby high shear forces between the Inner ear 18 and outer tube 19 at a minimum relative speed can be transmitted.
- Silicone oils such as. B.
- Baysilone M results from the essential lower dependence of the viscosity on the temperature when comparing silicone oils with mineral oils in the relevant temperature range from -40 ° C to + 150 ° C, connected with the resulting simplified design of the length compensator.
- the use of other high-viscosity Fluide is just as possible.
- the inner tube 18 is rigidly connected to the top plate 14 of the actuator unit 32, for example, welded.
- the outer tube 19 is connected at its lower end to the valve group rigid and high pressure tight.
- the bottom plate 13 is rigidly connected to the upper end of the valve needle 1.
- the interior of the outer tube 19 is to ensure permanent filling of the fit gap between the inner tube 18 and the outer tube 19 largely filled with highly viscous oil or with dilatant fluid. Furthermore, the filling serves at the same time for optimum loss heat dissipation from the PMA to the outer tube 19.
- the fuel supply consists of an inlet connector / inlet fitting 26 with an inlet opening 20, into which the fuel is fed from the high-pressure pump via a fuel line.
- the inlet opening opens into an annular groove 21, through which the fuel is distributed uniformly over the circumference.
- the fuel supply is further provided by a jacket tube 22.
- the cylindrical annular gap between the outer tube 19 and the jacket tube 22 serves as a fuel line from the inlet fitting 26 to the valve group.
- the inlet fitting (26) is high pressure resistant and hermetically sealed to the upper end of the outer tube and the jacket tube.
- the lower end of the jacket tube is high pressure resistant and hermetically sealed to the sleeve 3.
- This type of concentric fuel delivery allows for optimum loss heat removal from the PMA via the inner tube 18, the silicone oil and the outer tube 19 to the fuel.
- the elasticity of the outer and jacket tube is an efficient, injector-internal pressure accumulator, which optimally damps the pressure waves caused by the rapid opening and closing of the cone jet valve.
- the inlet fitting 26 may be a mechanical device Injector calibration, consisting of a hollow screw 23, and a soft spring 24 located at the top of the hollow screw and supported at the bottom of the actuator, included.
- a mechanical device Injector calibration consisting of a hollow screw 23, and a soft spring 24 located at the top of the hollow screw and supported at the bottom of the actuator, included.
- the inner bore of the hollow screw 23 is used to carry out the electrical connections 17.
- Means the seal 25 made of silicone or the like is the bore the hollow screw 23 is closed, so that the silicone oil filling safely trapped in the injector interior.
- the function of the FK is based on the fact that the coupling by viscous friction allows to temporarily transmit high forces with high mechanical stiffness, whereby during the period of the force effect compared to the Aktorausschung only a negligible relative displacement between the tubes occurs.
- the mechanical stiffness of the FK is determined by the mechanical stiffnesses of the two tubes. Very slow Relativverschiebitch between the tubes take place virtually free of forces. Therefore, the FK for use in short-term operating switching valves or periodically operating switching valves can be used, the phase of the power transmission compared to the Aktorausschung only leads to a negligible relative displacement between the tubes in the FK.
- the viscosity ⁇ must be at least 965 Ns / m 2 .
- high-viscosity oils such as Baysilone M 2 000 000 (trade name)
- a viscosity of about 2000 Ns / m 2 is provided and the required minimum viscosity of 956 Ns / m 2 safely maintained under all operating conditions.
- the PMA (12) is charged via the electrical connections (17), the PMA is extended and opens the cone jet valve, the closing force being taken over by the PMA.
- the actuator unit is supported by the inner tube and the viscous friction on the outer tube.
- the closing force via the viscous friction, causes the actuator unit to be pushed upwards at a constant speed relative to the outer tube during the opening period.
- fuel in the form of a cone jet enters the combustion chamber through the opened cone jet valve.
- the PMA is discharged again via the electrical connections 17, wherein the PMA is again contracted to the original length and the cone jet valve is closed by the closing force.
- the return spring 10 supports the closing operation.
- high viscosity fluids for the FK is not on Limited silicone oils. It can also be fats, tixotropic or also rheopex fluids are used.
- the application of the FK is not based on piezoelectric Drives limited. It is equally beneficial in all types of solid state factors such. B. in magnetostrictive or electrostrictive actuators used.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil mit Aktoreinheit, Ventileinheit, Fluidzuführung und Längenkompensationseinheit.The invention relates to a metering valve with actuator unit, Valve unit, fluid supply and length compensation unit.
Mechanische Bauteiltoleranzen, temperaturbedingte und druckbedingte Längenänderungen, Alterungseffekte, insbesondere des Piezoelektrischen Multilayer Aktors (PMA), wirken sich unmittelbar auf den Öffnungshub eines Fluidventils aus und damit auf dessen Dosiermenge. Insbesondere der PMA wirft hinsichtlich der thermischen Längenkompensation mit herkömmlichen Methoden, wie z. B. mit geeigneter Werkstoffkombination, praktisch nicht lösbare Probleme auf.Mechanical component tolerances, temperature-induced and pressure-induced changes in length, aging effects, in particular the P iezoelektrischen M ultilayer ktors A (PMA), to act directly on the opening stroke of a fluid valve, and thus on its dosage amount. In particular, the PMA raises in terms of thermal length compensation with conventional methods such. B. with a suitable combination of materials, practically insoluble problems.
Die durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei Hochleistungskeramiken
erreichbare Elongation aufgrund des Anlegens
einer maximal für den Dauerbetrieb zulässigen Feldstärke von
ca. 2 KV/mm beträgt nur 1,2-1,4 Promille. Dies führt bei einer
typischen Baulänge von ca. 40 mm und einem Schichtabstand
von 80 µm bei 160 V angelegter Spannung zu einer Elongation
von maximal ca. 56 µm. Liegt zwischen der Aktoreinheit und
dem Gehäuse, in das die Aktoreinheit eingebaut ist, auch nur
eine minimale relative Abweichung im effektiven thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von
Probleme entstehen, weil es praktisch nicht möglich ist die komplexe Fertigung der PMA in derart engen Toleranzen zu gestalten, dass die thermische Dehnung des PMA insgesamt in einem hinreichend engen Toleranzfeld bleibt.Problems arise because it is practically impossible to design complex production of the PMA in such close tolerances that the thermal expansion of the PMA in a total sufficiently narrow tolerance field remains.
Als Bauteil mit Domänenstruktur und Hysterese hängt der thermische Längenausdehnungskoeffizient stark vom Polarisationszustand und der mechanischen und elektrischen Belastungsvorgeschichte des PMA ab, sowie von der Temperatur selbst in nichtlinearer Abhängigkeit und kann bei ein und demselben PMA Werte im Bereich von -5·10-6 1/K bis zu +7·10-6 1/K annehmen.As a device with domain structure and hysteresis, the coefficient of thermal expansion strongly depends on the state of polarization and the mechanical and electrical history of the PMA, as well as on the temperature itself in nonlinear dependence, and can have values in the range of -5 · 10 -6 1 / for one and the same PMA. K up to + 7 · 10 -6 1 / K.
Als wirksame Maßnahme zur Kompensation von Bauteiltoleranzen und Längenänderungen sind im Stand der Technik hydraulische Elemente in Form von hydraulischen Lagern bekannt, wie z.B. in der Patentschrift DE-C-199 40 055 beschrieben. Varianten davon weisen zusätzlich einen hydraulischen Übersetzer auf, wie es z.B. in der Patentanmeldung DE-A-100 39 424 gezeigt wird.As an effective measure to compensate for component tolerances and length changes are hydraulic in the prior art Elements in the form of hydraulic bearings known, such. described in the patent DE-C-199 40 055. variants of which additionally have a hydraulic translator, as it is e.g. shown in the patent application DE-A-100 39 424 becomes.
Das hydraulische Kompensationselement besteht aus einer ölbefüllten Hydraulikkammer, die einerseits durch ein Zylindergehäuse und andererseits durch einen in Form einer engen Spielpassung eingepassten Hydraulikkolben begrenzt ist. Über die enge Spielpassung und/oder eine Drosselbohrung steht die Hydraulikkammer mit einem Speichervolumen in Verbindung. Das Speichervolumen dient einerseits als Ausgleichsbehälter, in das oder von dem Öl überströmt, wenn sich die Höhe der Hydraulikkammer ändert und andererseits als Kompensator für die thermische Volumenänderung des Ölvolumen selbst. Der Speicherraum muss einen vorher einstellbaren Grunddruck über den Kompensationsweg und den vollen Temperaturbereich möglichst konstant halten. Das gesamte Ölvolumen muss hermetisch dicht eingeschlossen sein und darf keine Gasblasen enthalten.The hydraulic compensation element consists of an oil-filled Hydraulic chamber, on the one hand by a cylinder housing and on the other by one in the form of a tight clearance fitted hydraulic piston is limited. About the tight clearance and / or a throttle bore is the hydraulic chamber with a storage volume in connection. The Storage volume serves on the one hand as a surge tank, in the or overflowed by the oil when the height of the hydraulic chamber changes and on the other hand as a compensator for the thermal volume change of the oil volume itself. The storage space must have a previously set basic pressure over the Compensation path and the full temperature range as possible keep constant. The entire oil volume must be hermetically sealed be enclosed and may contain no gas bubbles.
Der Kompensationsweg bei einem hydraulischen Kompensationselement wird unter anderem von der Höhe der Hydraulikkammer in axialer Richtung beschränkt und beträgt bei typischen Anwendungen max. ± 200 µm. Die mechanische Steifigkeit c der Hydraulikkammer ist proportional zur Querschnittsfläche A der Hydraulikkammer und umgekehrt proportional zur Kammerhöhe h und zur Kompressibilität k des Fluids (nach der Beziehung c = A / (k·h)). Mit zunehmender Kammerhöhe h sinkt die mechanische Steifigkeit c der Hydraulikkammer so stark ab, dass die dynamischen Eigenschaften des Piezoantriebes inakzeptabel stark beeinträchtigt werden. Ein genaues Einjustieren eines HK ist daher unabdingbar.The compensation path for a hydraulic compensation element Among other things, the height of the hydraulic chamber limited in the axial direction and is in typical applications Max. ± 200 μm. The mechanical stiffness c of Hydraulic chamber is proportional to the cross-sectional area A of Hydraulic chamber and inversely proportional to the chamber height h and the compressibility k of the fluid (according to the relationship c = A / (kh)). With increasing chamber height h the mechanical decreases Stiffness c of the hydraulic chamber so strong that the dynamic properties of the piezo drive unacceptable be severely impaired. An exact adjustment of one HK is therefore essential.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längenkompensationseinheit mit im Vergleich zum Stand der Technik erhöhtem Kompensationsweg und wesentlich vereinfachtem Aufbau bereitzustellen.The invention is based on the object, a length compensation unit with increased compared to the prior art Compensation path and much simpler structure to provide.
Lösungen ergeben sich aus der jeweiligen Merkmalskombination
von Anspruch 1 bzw. 2.
Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen
werden.Solutions result from the respective feature combination of
Advantageous embodiments can be taken from the subclaims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein friktionsbasiertes Kompensationselement (FK) zur Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen als Längenausgleichselement einsetzbar ist. Die besondere Konstruktion gewährleistet die Möglichkeit des separaten Aufbaus, Tests und den entsprechenden Einbau.The invention is based on the recognition that a friction-based Compensation element (FK) for integration of maximum Functionality with given space conditions as Length compensation element can be used. The special construction ensures the possibility of separate construction, Tests and the corresponding installation.
Das erfindungsgemäße Friktionsbasierte Kompensationselement
(FK) ist den bekannten Konzepten Hydraulischer Kompensatoren
(HK) in folgenden Eigenschaften überlegen:
Der Bauraum, insbesondere die Länge eines Aktors, wird bei
Anwendung eines FK gegenüber Aktor mit HK deutlich reduziert,
da sich das HK in der Länge immer an den Aktor anschließen
muss, während beim FK nur ein zusätzliches Rohr geringer
Wandstärke nötig ist, das die Aktoreinheit umfasst. Daher
entsteht lediglich ein geringer zusätzlicher Platzbedarf im
Durchmesser. The invention riktionsbasierte F K ompensationselement (FK) is the known concepts H ompensatoren ydraulic K (HK) is superior in the following properties:
The installation space, in particular the length of an actuator, is significantly reduced when using a FK compared to actuator with HK, as the HK must always connect to the actuator in length, while the FK only an additional pipe of small wall thickness is necessary, which is the actuator includes. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter.
Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK. Beim FK ist nur eine enge Zylinderpassung erforderlich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens wie im HK kann verzichtet werden. Das ölgefüllte Volumen beim FK muss nicht gasblasenfrei sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen. Der Kompensationsweg bei einem FK ist nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für die Einstellung eines FKs.Building a FK is much easier than building one HK. The FK requires only a tight cylinder fit. On a pressurization of the oil volume as in HK can be waived. The oil-filled volume at the FK does not have to be free of gas bubbles. A trapped air is just to the, thermal volume expansion of the oil filling intercept. Of the Compensation path for a FK is almost unlimited. Therefore creates practically no effort for the setting of a FKs.
Die sichere Rückstellung des Dosierventils in den geschlossenen Zustand bzw. in den Ruhezustand mittels einer Rückstellfeder geschieht durch eine entsprechende Kraft, die in die Ventileinheit eingeleitet wird. Die Einleitung kann direkt auf die Ventileinheit oder sehr vorteilhaft über das FK auf die Ventileinheit geschehen. So kann die Schließkraft mechanisch oder hydraulisch (durch das FK) aufgebracht werden, wobei sich beide Anteile zur Schließkraft summieren. Der mechanische Anteil, der durch die Rückstellfeder aufgebracht wird, dient zum sicheren Verschluss des Ventils im drucklosen Zustand des Injektors. Ein Auslaufen von Fluid aus dem Injektors kann somit auch beim abgestellten Motor zuverlässig verhindert werden.The safe return of the metering valve in the closed State or in the state of rest by means of a return spring happens through an appropriate force in the Valve unit is initiated. The introduction can be direct on the valve unit or very beneficial on the FK the valve unit is done. So the closing force can be mechanical or hydraulically (by the FK) are applied, wherein Both parts add up to the closing force. The mechanical Proportion that is applied by the return spring, serves to secure the valve in the unpressurized state of the injector. Leakage of fluid from the injector can thus reliably prevented even when parked engine become.
Durch den Einsatz von konzentrisch geführten Rohren im FK kann durch deren offene Stirnseiten ein elektrischer Anschluss nach außen geführt werden.Through the use of concentric tubes in the FK Can through the open ends of an electrical connection be led to the outside.
Die Ausbildung einer Mantelstromkühlung ist zur gleichmäßigen Ausbildung des Kühlstroms und zur vollständigen Kühlung der Aktoreinheit besonders vorteilhaft.The formation of a jacket flow cooling is uniform Training the cooling flow and the complete cooling of the Actuator particularly advantageous.
Zur Abführung der Verlustwärme aus dem Aktorantrieb wird insbesondere ein inertes Fluid, welches nicht korrosiv wirkt, eingesetzt. Dieses umschließt den Aktor und bindet diesen wärmetechnisch nach außen an. To dissipate the heat loss from the actuator drive is in particular an inert fluid which does not corrosive, used. This encloses the actor and binds it thermally to the outside.
Ein Metallbalg dient zur Trennung zwischen dem unter erhöhtem Fluiddruck stehenden Bereich der Ventileinheit von dem mit niedrigerem Druck beaufschlagten Bereich der Aktoreinheit und als Durchführungselement für die Ventilnadel von der Aktoreinheit zur Ventileinheit. Weiterhin wird zum Schutz des Metallbalges vor Druckwellen eine zwischen Metallbalg und mit Fluiddruck beaufschlagtem Bereich der Ventileinheit positionierte Spielpassung ausgebildet.A metal bellows is used for the separation between the under elevated Fluid pressure standing area of the valve unit of the with Lower pressure applied area of the actuator unit and as a feedthrough element for the valve needle of the actuator unit to the valve unit. Furthermore, to protect the metal bellows before pressure waves one between metal bellows and with Positioned fluid pressure applied area of the valve unit Training fit trained.
Ein friktions-basiertes Kompensationselement (FK) zum Toleranz- und Längenausgleich für Piezoantriebe wird als Fluid zwischen den beteiligten Bauelementen eine Substanz mit einer definierten Viskosität η enthalten. Diese Viskosität ist insbesondere von der Friktionsfläche A abhängig. Die Festlegung der Viskosität η erfolgt aus folgender Formel: δ = η · A · ν / F, wobei ν die relative Geschwindigkeit der Friktionspartner (Bauteile) gegeneinander, F die über das Friktionslager übertragene Kraft (Scherkraft) und δ das zwischen den beteiligten Bauelementen vorliegende Spaltmaß bedeuten. Eine Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus durch die Ausnützung der Eigenschaften einer hoch viskosen Flüssigkeit, die langsame Relativbewegungen zulässt und bei schnellen Relativbewegungen wie ein hartes Lager wirkt.A friction-based compensation element (FK) for tolerance and length compensation for piezo drives will contain as fluid between the components involved a substance with a defined viscosity η. This viscosity is dependent in particular on the friction surface A. The definition of the viscosity η is given by the following formula: δ = η · A · ν / F , where ν is the relative velocity of the friction partners (components) against each other, F the force transmitted via the friction bearing (shear force) and δ the existing between the components involved Mean gap. A solution to the problem arises from the exploitation of the properties of a highly viscous liquid, which allows slow relative movements and acts in rapid relative movements as a hard bearing.
Bei einem vom Aufbau her identischen Dosierventil mit Längenkompensationseinheit kann anstelle eines hoch viskosen Fluids, welches sich zwischen den beteiligten Bauelementen befindet, ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften zwischengeschaltet sein. Die Vorteile liegen in diesem Fall ebenso in der Erhöhung des Kompensationsweges, der im Wesentlichen auf der mechanischen Konstruktionsweise begründet ist. Der Einsatz eines dilatanten Fluids ist mit weiteren besonderen Vorteilen verbunden. Während beim Einsatz einer herkömmlichen hoch viskosen Flüssigkeit, die beispielsweise eine Viskosität η = 1000Ns/m 2 aufweist, ist beispielsweise ein Spaltmaß von 10 µm notwendig. Damit ist die gewünschte Funktionsweise des friktions-basierten Kompensationselementes optimal eingestellt. Die dazu notwendige Herstellungsgenauigkeit für die beteiligten Bauelemente bzw. für die Befüllung mit dem Gleitmittel stellen jedoch hohe Anforderungen an die Fertigung eines solchen Lagers. Die Ausführung eines friktions-basierten Lagers ist durch geringe Spaltmaße und durch langwierige Befüllung mit einem Gleitmittel gekennzeichnet und sehr aufwändig.In a structurally identical metering valve with length compensation unit, instead of a highly viscous fluid, which is located between the components involved, a fluid with dilatant properties can be interposed. The advantages in this case are also in the increase of the compensation path, which is essentially based on the mechanical construction method. The use of a dilatant fluid is associated with other particular advantages. While using a conventional highly viscous liquid, for example, has a viscosity η = 1000 Ns / m 2 , for example, a gap of 10 microns is necessary. This optimally sets the desired mode of operation of the friction-based compensation element. However, the necessary manufacturing accuracy for the components involved or for the filling with the lubricant make high demands on the production of such a bearing. The design of a friction-based bearing is characterized by small gaps and by lengthy filling with a lubricant and very expensive.
Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe beinhaltet die Verwendung
eines dilatanten Fluids zwischen den entsprechend zusammenwirkenden
Bauelementen des friktions-basierten Kompensationselementes.
Ein dilatantes Fluid weist im Gegensatz zu
einem hoch viskosen Newton'schen Fluid ein wesentlich anderes
Verhalten auf. Bei einer dilatanten Flüssigkeit bewirkt ein
Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität bis hin zu
festkörperähnlichen Eigenschaften. Die Vorteile der Verwendung
eines solchen Fluids sind folgende:
Die Befüllung des Systems ist unproblematisch, da die Fluide
ohne aufgebrachte Scherspannungen niedrig viskos sind, das
Spaltmaß der beteiligten Bauelemente kann größer gewählt werden,
da die Viskosität unter hohen Scherraten deutlich zunimmt
und größer werden kann als die der bisher eingesetzten
Öle, die in der Regel bis zu Werten von η = 2000Ns/m 2 beträgt.
Ferner ist anzumerken, dass das Verhalten einer dilatanten
Substanz den Anforderungen des FKs dahingehend entspricht,
dass langsam ablaufende Vorgänge wie die Kompensation von
Längenänderungen oder Bauteiltoleranzen bei geringer Scherrate
stattfinden. Somit werden nur sehr geringe Kräfte im Lager
übertragen und eine Längskompensation ist möglich. Bei
schnellen Änderungen in Längsrichtung wie bei dem Antrieb eines
piezoelektrischen Motors oder einem Fluidventil, entstehen
hohe Scherraten. Die entsprechenden Kräfte werden durch
das Lager in diesem Fall aufgrund der erhöhten Viskosität übertragen. Another solution to the problem involves the use of a dilatant fluid between the corresponding cooperating components of the friction-based compensation element. A dilatant fluid, unlike a highly viscous Newtonian fluid, has a significantly different behavior. For a dilatant fluid, an increase in shear rate causes the viscosity to increase to solid-like properties. The advantages of using such a fluid are as follows:
The filling of the system is not a problem, since the fluids are low viscous without applied shear stresses, the gap of the components involved can be made larger, since the viscosity at high shear rates significantly increases and can be greater than that of the previously used oils, which usually is up to values of η = 2000 Ns / m 2 . Furthermore, it should be noted that the behavior of a dilatant substance corresponds to the requirements of the FK that slow processes such as the compensation of changes in length or component tolerances occur at a low shear rate. Thus, only very small forces are transmitted in the bearing and a longitudinal compensation is possible. With rapid changes in the longitudinal direction as in the drive of a piezoelectric motor or a fluid valve, resulting in high shear rates. The corresponding forces are transmitted through the bearing in this case due to the increased viscosity.
Im Folgenden werden detaillierte Beschreibungen von besonders
vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf
die begleitenden Figuren wiedergegeben:
Das im Folgenden detailliert beschriebene friktionsbasierte Kompensationselement (FK) stellt eine Weiterentwicklung und Optimierung des genannten Standes der Technik hinsichtlich der Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen dar, wie vorgeschriebene Bauhöhe, Außendurchmesser und einfacher Aufbau als modulare Einheit. Dieses kann separat aufgebaut, getestet und verbaut werden.The friction-based one described in detail below Compensation element (FK) represents a further development and Optimization of the cited prior art with regard to the integration of maximum functionality in given space conditions as prescribed height, outside diameter and simple construction as a modular unit. This can be built separately, tested and installed.
Das erfindungsgemäße FK ist den bekannten Konzepten Hydraulischer
Kompensatoren (HK) in folgenden Eigenschaften überlegen:
Der Bauraum, insbesondere die Länge des Piezoantriebes, wird
bei Anwendung eines FK gegenüber einem Piezoantrieb mit HK
deutlich reduziert, da das HK in der Länge immer an den Piezoantrieb
anschließen muss, während beim FK nur ein zusätzliches
Rohr geringer Wandstärke, das die Aktoreinheit umfasst,
erforderlich ist. Daher entsteht lediglich ein geringer zusätzlicher
Platzbedarf im Durchmesser.
Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines
HK.The FK invention is the known concepts H ydraulic K ompensatoren (HK) in the following properties superior to:
The space, in particular the length of the piezo drive, is significantly reduced when using a FK compared to a piezo drive with HK, since the HK always has to connect in length to the piezo drive, while in FK only an additional tube of small wall thickness, which includes the actuator unit, is required. Therefore, only a small additional space requirement arises in the diameter.
Building a FK is much easier than building a HK.
Hingegen ist beim FK nur eine enge Zylinderpassung erforderlich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens kann verzichtet werden. Das mit einem hochviskosen Öl gefüllte Volumen muss nicht gasblasenfrei befüllt sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen.By contrast, the FK only requires a tight cylinder fit. On a pressurization of the oil volume can be omitted become. The volume filled with a high viscosity oil does not have to be filled without gas bubbles. An air pocket just serves to the thermal expansion of the volume of oil intercept.
Der Kompensationsweg bei einem FK ist hingegen nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für dessen Einstellung.The compensation path for a FK, however, is almost unlimited. Therefore, there is virtually no expense for its Attitude.
Der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen FK in einem Piezoelektrischen Benzin (Gasoline) Direkt Injektor, PGDI, wird anhand von Fig.1 erläutert.The construction and the function of the FK according to the invention in a piezoelectric gasoline ( G asoline) D irekt I njektor, PGDI, will be explained with reference to Figure 1 .
Der Aufbau eines Dosierventils umfasst ein Gehäuse mit folgenden
funktionalen Bestandteilen:
Die Ventileinheit besteht aus einer Ventilnadel 1, deren unteres
Ende entsprechend der Ausrichtung in den Figuren in
Form eines Ventiltellers 2 ausgebildet ist und aus einer
Cartridge/Hülse 3, in deren unteres Ende ein Ventilsitz 4
eingeschliffen ist, der zusammen mit dem Ventilteller 2 ein
Kegelstrahlventil bildet, wobei der Strahlkegelwinkel des
austretenden Kraftstoffes durch die geometrische Ausgestaltung
des Ventiltellers 2 und des Ventilsitzes 4 festgelegt
werden. Die Ventilnadel 1 wird in der Hülse 3 durch zwei sehr
enge Spielpassungen 5,6 axial geführt. Der Querschnitt der
Ventilnadel 1 im Bereich der unteren Passung 5 weist ein oder
mehrere Abflachungen auf, damit der Kraftstoff im Raum zwischen
Ventilnadel und Hülsen-Innenwand von der mindestens einen
Eintrittsbohrung 7 während des Einspritzvorganges ungehindert
zum geöffneten Kegelstrahlventil fließen kann. Oberhalb
der oberen Passung 6 ist ein Metallbalg 8 an seinem unteren
Ende hermetisch dichtend mit der Ventilnadel 1 und an
seinem oberen Ende hermetisch dichtend mit dem Ventilkörper 9
vorzugsweise durch Verschweißen verbunden. Diese Art des
Balganschlusses bewirkt, dass der unter hohem Druck stehende
Kraftstoff von außen auf den Balg einwirkt. Der Einbau von
Metallbälgen unter Außendruckbelastung wird von den Balgherstellern
als die stabilere Variante empfohlen. Der Metallbalg
8 dient als hochdruckfestes hermetisch dichtendes, aber axial
weiches Durchführungselement, das die erforderliche Bewegung
der Ventilnadel 1 zum schnellen Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils
nicht behindert. Der Metallbalg 8 besitzt
einen effektiven hydraulischen Durchmesser d1 der genau auf
den Durchmesser der Dichtlinie d2 im Kegelstrahlventil abgestimmt
wird. Liegt der Kraftstoffdruck P an, so berechnet
sich die vom Kraftstoffdruck P auf die Ventilnadel 1 ausgeübte
Druckkraft zu FP = π/4 · (d1 2 - d2 2) · P, wobei ein positives
Vorzeichen eine Kraft nach oben also eine ventilschließende
Kraft bedeutet. Je nach bevorzugter Auslegung der Kräftebilanz
auf das Ventil kann durch Wahl von d1 und d2 eine
öffnende, schließende oder verschwindende druckabhängige
Kraft auf die Ventilnadel eingestellt werden.The valve unit consists of a valve needle 1, whose lower end is formed according to the orientation in the figures in the form of a
Durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils
werden Druckschwankungen hoher Amplitude und Frequenz
(Druckwellen) im Kraftstoff induziert, die einen Metallbalg
stark schädigen und zu seinem verfrühten Ausfall führen. Als
experimentell erwiesene und wirksame Maßnahme ist der Metallbalg
oberhalb der Passung 6 angeordnet, die in ihrem Querschnitt
keine Abflachungen aufweist. Durch hinreichend enge
Passungen können Druckwellen nicht propagieren, was den Metallbalg
8 vor den schädlichen Druckwellen schützt.By quickly opening and closing the cone jet valve
be pressure fluctuations of high amplitude and frequency
(Pressure waves) in the fuel induced a metal bellows
severely damage and lead to its premature failure. When
experimentally proven and effective measure is the metal bellows
arranged above the
Durch eine weiche, druckvorgespannte Rückstellfeder 10, die
sich am unteren Ende auf dem Ventilkörper 9 und am oberen Ende
über einen Federteller 11 an der Ventilnadel 1 abstützt,
wird eine wegunabhängige Schließkraft FR in die Ventilnadel
eingeleitet. Die Schließkraft FS im Kegelstrahlventil zwischen
Ventilteller 2 und Ventilsitz 4 setzt sich im Betrieb
additiv aus dem druckabhängigen Anteil FP und der Kraft der
Rückstellfeder FR zusammen gemäß FS = FP + FR .By a soft, pressure-biased
Der Ventilkörper 9 ist mit der Hülse 3 hermetisch dichtend und druckstabil vorzugsweise durch Schweißen verbunden.The valve body 9 is hermetically sealed with the sleeve 3 and pressure-stable preferably connected by welding.
Die Ventileinheit ist bis zu dem bis jetzt beschriebenen Zustand als separate Einheit montierbar und mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen in ihrer Funktion prüfbar, wie z.B. auf Dichtheit der Schweißnähte, Dichtheit des Kegelstrahlventils, Ausbildung und Eigenschaften des Kegelstrahles, was Kosten spart, da mangelhafte Ventilgruppen sofort ausgesondert werden können und Fehler nicht erst an einem vollständigen Injektor nachgewiesen werden, wodurch der gesamte Injektor verworfen werden müsste.The valve unit is up to the state described so far Can be mounted as a separate unit and with the help of suitable Devices in their function testable, such. on Tightness of the welds, tightness of the cone jet valve, Training and characteristics of the cone beam, which costs Saves, as defective valve groups are immediately discarded can not and errors only at a complete injector be detected, thereby discarding the entire injector would have to be.
Die Aktoreinheit besteht aus dem Piezoelektrischen Multilayer
Aktor, PMA 12, der unter Druckvorspannung zwischen einer Bodenplatte
13 und einer Kopfplatte 14 in eine Rohrfeder 15
eingeschweißt ist. Die Druckvorspannung schützt den PMA im
hochdynamischen Betrieb vor schädlichen Zugspannungen. Die
Piezokeramik verhält sich stabil gegenüber Druckspannungen,
Zugspannungen hingegen können zur Zerstörung der Piezokeramik
führen. Zudem wird durch das Anlegen einer starken Druckvorspannung,
typischerweise von ca. 500 N - 1000 N, der Effekt
der Spaltfederung zwischen den Stirnflächen des PMA und den
entsprechenden Gegenflächen der Kopfplatte 14- und Bodenplatte
13 vermieden, der zu einer weichen, mechanischen Ankopplung
der Kopfplatte 14 und Bodenplatte 13 führt und daher ursächlich
für Verluste in der Auslenkung der Aktoreinheit sein
kann. Ursache für das Auftreten von Spaltfederung sind geometrische
Abweichungen von der idealen planparallelen Geometrie
der PMA Stirnflächen. Die Stirnflächen sind typisch mit
einer Toleranz in der Parallelität von ca. ± 50µm gefertigt. The actuator is composed of the P iezoelektrischen M ultilayer A ctor,
Durch den Polungsvorgang werden zunächst planare Stirnflächen ballig ausgebildet. Ohne oder bei nur geringer Druckvorspannung ist nur ein Bruchteil der PMA Stirnfläche auf Anlage mit der entsprechenden Gegenfläche auf der Kopf- oder Bodenplatte und bewirkt eine mechanisch weiche Kopplung. Eine hinreichend hohe Druckkraft bewirkt durch elastische Deformation das Schließen der Spalte und damit eine ganzflächige Anlage der Stirnflächen an den entsprechenden Gegenflächen und somit eine mechanisch steife Ankopplung.By the poling process initially planar faces crowned. Without or with only low compression preload is only a fraction of the PMA face area on plant with the corresponding counter surface on the top or bottom plate and causes a mechanically soft coupling. A sufficient high pressure force causes elastic deformation Closing the column and thus a whole area of the plant End faces on the corresponding mating surfaces and thus one mechanically stiff coupling.
Die Kopfplatte 14 enthält zudem Bohrungen 16, durch die die
elektrischen Anschlüsse 17 des PMA zentral nach hinten aus
der Aktoreinheit herausgeführt werden.
Die Aktoreinheit kann ebenfalls als separates Modul elektrisch
und mechanisch geprüft werden, bevor es in einen Injektor
eingebaut wird.The
The actuator unit can also be electrically and mechanically tested as a separate module before it is installed in an injector.
Der Längenkompensator besteht in einer bevorzugten Ausführung
für die Anwendung im beschriebenen Dosierventil aus zwei konzentrischen
Rohren, dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19,
wobei der Außendurchmesser des Innenrohres 18 nur geringfügig
kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohres 19, so
dass beide Rohre eine enge Spielpassung bilden. Eine typische
Durchmesserdifferenz liegt bei ca. 5 µm - 20 µm. Der Passungsspalt
wird mit einem hochviskosen Fluid, z. B. Baysilone
M 2 000 000 ausgefüllt, wodurch hohe Scherkräfte zwischen dem
Innerohr 18 und dem Außenrohr 19 bei minimaler Relativgeschwindigkeit
übertragen werden können. Die Verwendung von
Silikonölen, wie z. B. Baysilone M, ergibt sich aus der wesentlich
geringeren Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur
beim Vergleich zwischen Silikonölen mit Mineralölen
im relevanten Temperaturbereich von -40°C bis +150°C , verbunden
mit der daraus resultierenden vereinfachten Auslegung
des Längenkompensators. Die Verwendung anderer hochviskoser
Fluide ist jedoch genauso möglich. The length compensator consists in a preferred embodiment
for use in the described metering valve of two concentric
Tubes, the
Beim Einsatz eines dilatanten Fluide zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr einer friktions-basierten Längenkompensationseinheit werden ebenfalls mechanische Kräfte für den Fall übertragen, dass hohe Relativgeschwindigkeiten vorliegen. Nachteilige Längenänderungen und Bauteiletoleranzen verschiedener Bauelemente können ausgeglichen werden, indem langsame Relativbewegungen nicht von der Einheit abgestützt, sondern ausgeglichen werden. Rheologisch gesehen fließen Fluide normalerweise beim Einwirken äußerer Kräfte, beispielsweise entsprechend der Newton'schen Scherkraftformel. Die Viskosität eines dilatanten Fluids ist abhängig von dem Betrag der Scherkräfte, die in dieses Fluid eingebracht werden. Mit zunehmender Scherrate steigt die Viskosität bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Falls nun ein Hub eines piezoelektrischen Aktors, der nur wenige µm ausmacht, von einem friktions-basierten Kompensationselement abgestützt werden soll, müssen derartige Reaktionen innerhalb des Fluids ausreichend schnell ablaufen. Dies ist der Fall, da Viskositätsänderungen in dilatanten Fluiden im Millisekundenbereich vonstatten gehen. Anders ausgedrückt reagiert ein derartiges Fluid dilatant und nicht pseudoplastisch. Als Ergebnis liegt in diesem Fall ein steifes Lager zum Abstützen des Aktorhubes vor.When using a dilatant fluid between an inner tube and an outer tube of a friction-based length compensation unit will also be mechanical forces in case transmitted that high relative velocities are present. Adverse length changes and component tolerances of different Components can be balanced by slow ones Relative movements not supported by the unit, but be compensated. Rheologically, fluids usually flow when external forces, for example, according to Newton's shear force formula. The viscosity a dilated fluid depends on the amount of Shear forces introduced into this fluid. With increasing Shear rate increases the viscosity up to solid-like Properties. If now a stroke of a piezoelectric Aktors, which accounts for only a few microns of one friction-based compensation element are supported should, such reactions within the fluid must be sufficient run fast. This is the case because viscosity changes in dilatant fluids in the millisecond range walk. In other words, such a reaction Fluid dilatant and not pseudoplastic. As a result, lies in this case, a rigid bearing for supporting the Aktorhubes in front.
Typischerweise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, das Innenrohr 18
mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit 32 steif verbunden,
beispielsweise verschweißt. Das Außenrohr 19 wird an seinem
unteren Ende mit der Ventilgruppe steif und hochdruckdicht
verbunden. Die Bodenplatte 13 ist steif mit dem oberen Ende
der Ventilnadel 1 verbunden. Der Innenraum innerhalb des Außenrohres
19 ist zur Gewährleistung der permanenten Ausfüllung
des Passungsspaltes zwischen dem Innenrohr 18 und dem
Außenrohr 19 weitestgehend mit hochviskosem Öl oder mit dilatantem
Fluid ausgefüllt. Des weiteren dient die Füllung
gleichzeitig zur optimalen Verlustwärmeabfuhr vom PMA zum Außenrohr
19. Typically, as shown in Fig. 1 , the
Die Kraftstoffversorgung besteht aus einem Einlassverbinder/Inletfitting
26 mit einer Zulauföffnung 20, in die der
Kraftstoff von der Hochdruckpumpe kommend über eine Kraftstoffleitung
eingespeist wird. Die Zulauföffnung mündet in
eine Ringnut 21, durch die der Kraftstoff gleichmäßig über
den Umfang verteilt wird. Zur Kraftstoffversorgung dient des
weiteren ein Mantelrohr 22. Der zylindrische Ringspalt zwischen
dem Außenrohr 19 und dem Mantelrohr 22 dient als Kraftstoffleitung
vom Inletfitting 26 zur Ventilgruppe. Das Inletfitting
(26) ist hochdruckfest und hermetisch dichtend mit
dem oberen Ende des Außenrohres und dem Mantelrohr verbunden.
Das untere Ende des Mantelrohres ist hochdruckfest und hermetisch
dichtend mit der Hülse 3 verbunden.
Diese Art der konzentrischen Kraftstoffzufuhr ermöglicht eine
optimale Verlustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18,
das Silikonöl und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff.
Die Elastizität des Außen- und Mantelrohres stellt einen effizienten,
injektorinternen Druckspeicher dar, der die durch
das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils ausgelösten
Druckwellen optimal dämpft.The fuel supply consists of an inlet connector / inlet fitting 26 with an
This type of concentric fuel delivery allows for optimum loss heat removal from the PMA via the
The elasticity of the outer and jacket tube is an efficient, injector-internal pressure accumulator, which optimally damps the pressure waves caused by the rapid opening and closing of the cone jet valve.
Das Inletfitting 26 kann eine Vorrichtung zur mechanischen
Injektorkalibrierung, bestehend aus einer Hohlschraube 23,
und einer weichen Feder 24, die sich oben an der Hohlschraube
und unten an der Aktoreinheit abstützt, enthalten. Durch das
Eindrehen der Hohlschraube 23 wird über die Feder 24 der Ventilsitz
gezielt geringfügig entlastet, wodurch der erreichbare
Volumenstrom des Kegelstrahlventils geringfügig zunimmt.
Eine mechanische Gleichstellung zwischen mehreren Injektoren
ist somit erreichbar. Die Innenbohrung der Hohlschraube 23
dient zur Durchführung der elektrischen Anschlüsse 17. Mittels
der Dichtung 25 aus Silikon oder ähnlichem ist die Bohrung
der Hohlschraube 23 verschlossen, damit die Silikonölfüllung
sicher im Injektorinnenraum eingeschlossen bleibt. The inlet fitting 26 may be a mechanical device
Injector calibration, consisting of a
Grundsätzlich können keine statischen Kräfte durch ein derartiges
FK zwischen den beiden Rohren, dem Innenrohr 18 und dem
Außenrohr 19, übertragen werden.Basically, no static forces can be caused by such a
FK between the two tubes, the
Die Funktion des FK basiert darauf, dass es die Kopplung
durch viskose Reibung erlaubt, kurzzeitig hohe Kräfte bei hoher
mechanischer Steifigkeit zu übertragen, wobei während der
Zeitspanne der Kraftwirkung verglichen mit der Aktorauslenkung
nur eine vernachlässigbare Relativverschiebung zwischen
den Rohren auftritt. Die mechanische Steifigkeit des FK wird
durch die mechanischen Steifigkeiten der beiden Rohre festgelegt.
Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen den Rohren
finden praktisch kräftefrei statt.
Daher ist das FK zum Einsatz in kurzzeitig arbeitenden
Schaltventilen oder auch periodisch arbeitenden Schaltventilen
einsetzbar, wobei die Phase der Kraftübertragung verglichen
mit der Aktorauslenkung nur zu einer vernachlässigbaren
Relativverschiebung zwischen den Rohren im FK führt.The function of the FK is based on the fact that the coupling by viscous friction allows to temporarily transmit high forces with high mechanical stiffness, whereby during the period of the force effect compared to the Aktorauslenkung only a negligible relative displacement between the tubes occurs. The mechanical stiffness of the FK is determined by the mechanical stiffnesses of the two tubes. Very slow Relativverschiebungen between the tubes take place virtually free of forces.
Therefore, the FK for use in short-term operating switching valves or periodically operating switching valves can be used, the phase of the power transmission compared to the Aktorauslenkung only leads to a negligible relative displacement between the tubes in the FK.
Bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren treten Phänomene
mit hinreichend unterschiedlichen Zeitskalen auf:
Für Newton'sche Flüssigkeiten gilt die Scherkraftformel:
Im ungünstigsten Fall muss die Viskosität η mindestens 965
Ns/m2 betragen. Durch hochviskose Öle wie z.B. Baysilone
M 2 000 000 (Handelsname) wird eine Viskosität von ca. 2000
Ns/m2 bereitgestellt und die erforderliche Mindestviskosität
von 956 Ns/m2 unter allen Betriebsbedingungen sicher eingehalten.In the worst case, the viscosity η must be at least 965 Ns / m 2 . By high-viscosity oils such as
Wiederholt auftretende Kraftwirkungen auf das FK kumulieren, indem sich der Verschiebeweg zwischen den Rohren addiert. Daher ist ein Rückstellmechanismus für das Innenrohr (18) relativ zum Außenrohr (19) erforderlich, der das Außenrohr (19) in der kräftefreien Zeit in die Anfangslage zurückversetzt.Cumulate repetitive force effects on the FK, by adding the displacement between the tubes. Therefore is a return mechanism for the inner tube (18) relative to the outer tube (19) required, the outer tube (19) returned to the initial position in the time when there was no force.
Wird der PMA (12) über die elektrischen Anschlüsse (17) aufgeladen,
so verlängert sich der PMA und öffnet das Kegelstrahlventil,
wobei die Schließkraft vom PMA übernommen wird.
Die Aktoreinheit stützt sich dabei über das Innenrohr und die
viskose Reibung an dem Außenrohr ab. Die Schließkraft bewirkt
über die viskose Reibung, dass die Aktoreinheit während der
Öffnungsdauer mit konstanter Geschwindigkeit relativ zum Außenrohr
nach oben gedrückt wird. Durch das geöffnete Kegelstrahlventil
tritt währenddessen Kraftstoff in Form eines Kegelstrahles
in den Brennraum aus. Zur Beendigung des Einspritzvorganges
wird der PMA wieder über die elektrischen Anschlüsse
17 entladen, wobei der PMA wieder auf die ursprüngliche
Länge kontrahiert und das Kegelstrahlventil durch die
Schließkraft geschlossen wird. Zusätzlich unterstützt die
Rückstellfeder 10 den Schließvorgang.
Da sich das Innenrohr 18 während des Einspritzvorganges nach
oben um die Strecke ε bewegt hat, wird die Elastizität des
Antriebes (Federkonstante cD), die sich aus der Serienschaltung
der Elastizität der Aktoreinheit (Federkonstante cA) und
der Elastizität der Ventilnadel (Federkonstante cN) gemäß
1/cD = 1/cA +1/cN berechnet, nach erfolgter Entladung des
PMA, um die Strecke ε stärker gedehnt und erzeugt daher eine
zusätzliche Schließkraft: dF= cD · ε .
Im FK wirkt diese Kraft nach unten, d.h. sie bewirkt eine
Rückstellung des Innenrohres 18 während der Ruhephase des Injektors
zwischen den Einspritzvorgängen. Die viskose Reibung
dämpft die Rückstellbewegung.
Durch die zusätzliche Schließkraft dF wird ein Rückstellmechanismus
bereitgestellt.If the PMA (12) is charged via the electrical connections (17), the PMA is extended and opens the cone jet valve, the closing force being taken over by the PMA. The actuator unit is supported by the inner tube and the viscous friction on the outer tube. The closing force, via the viscous friction, causes the actuator unit to be pushed upwards at a constant speed relative to the outer tube during the opening period. In the meantime, fuel in the form of a cone jet enters the combustion chamber through the opened cone jet valve. To terminate the injection process, the PMA is discharged again via the
Since the
In the FK this force acts downward, ie it causes a return of the
The additional closing force dF provides a return mechanism.
Im Injektorbetrieb, verbunden mit periodischem Öffnen- und
Schließen, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht derart
ein, dass die Drift des Innenrohres 18 nach oben, die während
des Einspritzvorganges eintritt, während der Ruhephase des
Injektors zurückgesetzt wird. Diese Gleichgewichtslage hängt
von der Tastrate, d. h. vom Verhältnis der Einspritzzeit zur
Periodendauer ab. Da bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren
die Einspritzzeit wesentlich geringer als die Periodendauer
ist, entspricht die dynamische Gleichgewichtslage
des FK nahezu seiner Ruhelage bei beliebig langer Periodendauer.
Daher ist der dynamische Tastrateneffekt für praktische
Anwendungen vernachlässigbar.In injector mode, associated with periodic opening and
Close, such a dynamic balance arises
a, that the drift of the
Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen dem Innenrohr 18
und dem Außenrohr 19, wie sie z.B. durch thermische Dehnung
oder Setzeffekte des PMA hervorgerufen werden, können hingegen
ungehindert stattfinden. Very slow relative displacements between the inner tube 18th
and the
Vorteile eines FK (friktionsbasierten Kompensationselementes)
in einem unter Druck direkt einspritzenden Injektor:Advantages of a FK (friction-based compensation element)
in a direct injection injector under pressure:
Die Ausführung entsprechend Fig.2 bietet darüber hinaus weitere
Vorteile:
Erreicht werden diese Vorteile durch Einleitung der Vorspannkraft der Rückstellfeder in das Innenrohr anstatt in das obere Ende der Ventilnadel.These advantages are achieved by introducing the preload force the return spring in the inner tube instead of the upper End of the valve needle.
Die Auswahl der hochviskosen Fluide für das FK ist nicht auf Silikonöle beschränkt. Es können auch Fette, tixotrope oder auch rheopexe Fluide zum Einsatz kommen.The selection of high viscosity fluids for the FK is not on Limited silicone oils. It can also be fats, tixotropic or also rheopex fluids are used.
Ebenso ist der Einsatz eines dilatanten Fluids mit Vorteilen verbunden. Hier bewirkt der Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität des Fluids bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Da diese fluidinternen Eigenschaftsänderungen im Millisekundenbereich ablaufen, lassen sie sich für die Zwecke eines friktions-basierten Längenkompensationselementes ausnützen.Likewise, the use of a dilatant fluid with benefits connected. Here, the increase in the shear rate causes an increase the viscosity of the fluid up to solid-like Properties. Because these fluid-internal property changes in the millisecond range, they can be used for the Purpose of a friction-based length compensation element exploit.
Weiterhin ist die Anwendung des FK nicht auf piezoelektrische Antriebe beschränkt. Es ist ebenso vorteilhaft bei allen Arten von Festkörperaktoren wie z. B. bei magnetostriktiven oder elektrostriktiven Aktoren einsetzbar.Furthermore, the application of the FK is not based on piezoelectric Drives limited. It is equally beneficial in all types of solid state factors such. B. in magnetostrictive or electrostrictive actuators used.
Claims (13)
die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18,19), dem Innenrohr (18) und dem Außenrohr (19), besteht, die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein hochviskoses Fluid vorhanden ist.Dosing valve with length compensation unit, consisting of:
the length compensation unit is represented by a friction-based compensation element (33), which consists of at least two parallel to the actuator unit (32) aligned and surrounding these tubes (18,19), the inner tube (18) and the outer tube (19), which by means of a Game fit are guided into each other, wherein between the tubes a highly viscous fluid is present.
die Längenkompensationseinheit durch ein friktionsbasiertes Kompensationselement (33) dargestellt ist, welches aus mindestens zwei parallel zur Aktoreinheit (32) ausgerichteten und diese umschließende Rohre (18,19), dem Innenrohr (18) und dem Außenrohr (19), besteht, die mittels einer Spielpassung ineinander geführt sind, wobei zwischen den Rohren ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften vorhanden ist.Dosing valve with length compensation unit, consisting of:
the length compensation unit is represented by a friction-based compensation element (33), which consists of at least two parallel to the actuator unit (32) aligned and surrounding these tubes (18,19), the inner tube (18) and the outer tube (19), which by means of a Game fit are guided into each other, wherein between the tubes a fluid with dilatant properties is present.
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