WO2005026558A1

WO2005026558A1 - Hydrauliksystem mit ausgleichsspeicher

Info

Publication number: WO2005026558A1
Application number: PCT/EP2004/052132
Authority: WO
Inventors: Bernhard Gottlieb; Andreas Kappel
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2005-03-24
Also published as: DE10343488A1

Abstract

Hydrauliksystem (1) aufweisend ein Gehäuse (G) und einen Ausgleichsspeicher (AS), dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsspeicher (AS) eine elastische Hülse (M) und ein Speichervolumen (V) aufweist, die elastische Hülse (M) das Gehäuse (2) unter Einschliessung des Speichervolumens (V) umspannt, das Speichervolumen (V) durch die elastische Hülse (M) nach Aussen abgedichtet ist, das Speichervolumen (V) hydraulisch mit einem Innenraum des Hydrauliksystems (1) verbunden ist, eine Dehnung der elastischen Hülse (M) durch hydraulischen Druck auf ihre dem Gehäuse (G) zugewandten Fläche zu einer Vergrösserung des Speichervolumens (V) führt mittels derer ein Überschussvolumen eines Fluids aus dem Innenraum des Hydrauliksystems (1) aufnehmbar ist.

Description

Beschreibung

Hydrauliksystem mit Ausgleichsspeicher

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem mit einem Ausgleichsspeicher.

Mechanische Toleranzen, temperaturbedingte und druckbedingte Längenänderungen, Alterungseffekte eines insbesondere in ei- nem Fluidventil eingesetzten PMΑ (Piezoelektrischer Multilay- er Aktor) , nachfolgend "Piezoaktor" genannt, wirken sich unmittelbar auf den Öffnungshub eines mit dem Piezoaktor verbundenen Fluidventils und damit auf dessen Dosiermenge aus. Herkömmliche Methoden zur Kompensation der temperaturbeding- ten Längenänderung des Piezoaktors anhand geeigneter erk- stoffkombinationen werfen aber schwerwiegende Stabilitätsund Herstellungsprobleme auf.

Das durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei Hochleis- tungskeramiken erreichbare Elongationsverhältnis des Piezoaktors aufgrund des Anlegens einer maximal für den Dauerbetrieb zulässigen Feldstärke von ca. 2KV/mm, beträgt nur 1,2- 1,4 μm Elongation je 1 mm Länge des Piezoaktors. Bei einer typischen Baulänge des Piezoaktors von ca. 40 mm und einem Piezo- Schichtabtand von 80 μm bei 160 V angelegter Spannung führt der inverse piezoelektrische Effekt zu einer Elongation von maximal 56 μm. Liegt also zwischen dem Piezoaktor und dem Gehäuse in dem der Piezoaktor eingebaut ist auch nur eine minimale relative Abweichung im effektiven Temperaturdehnungsko- effizienten von ca. 1*10^~6 1/K über die Länge des Piezoaktors von 40 mm vor, so führt dies im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich -40 °C bis 140 °C zu einer Abweichung der für den Ventilbetrieb relevanten Referenzflächen von -2,4 μm bis zu +4,8 μm oder in Summe zu 7,2 μm und bezogen auf die Elon- gation des Piezoaktors zu einer Abweichungsbandbreite von bis zu 13%. Dadurch entstehen Probleme folgender Art: die komplexe Fertigung des Piezoaktors in derartig engen Toleranzen wie oben beschrieben, dass seine thermische Dehnung in einem hinreichend engen Toleranzfeld bleibt, ist praktisch nicht realisierbar als Bauteil mit Domänenstruktur und Hysterese hängt der Temperaturdehnungskoeffizient stark vom Polarisationszu- stand und der mechanischen und elektrischen Belastungsvorgeschichte des Piezoaktors ab. Die Temperaturabhängigkeit der Länge des Piezoaktors ist nichtlinear. Der Temperaturdehnungskoeffizient kann bei demselben Piezoaktor Werte im Bereich von -5*10^"6 1/K bis zu +7*10^-6 1/K annehmen.

Aus DE 19940055 Cl ist eine Dosiervorrichtung bekannt, welche sowohl einen Längenausgleich als auch eine steife Kraftübertragung gewährleisten kann. Der langsame Längenausgleich erfolgt durch einen lang anhaltenden Übexdruck in einer Hydrau- likkammer (Temperaturdehnung) welche zwischen einem an einem Piezoaktor verbundenen Kolben und einem festen Gehäuseteil liegt. Der Überdruck führt zu einem hydraulischen Ausgleich über eine Passung welche von der Hydraααlikkammer zu einem um den Piezoaktor herum gebildeten Aktorraum führt.

Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und/oder eine Vorrichtung anzugeben, welches/welche bei möglichst kleinem Platzbedarf einen thermischen Volumenausgleich gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch eine Verwendung einer elastischen Hülse und durch ein Hydrauliksystem gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Bei der Verwendung einer elastischen Hülse zum Reduzieren eines hydraulischen Druckanstiegs in einem mindestens ein Gehäuse aufweisenden Hydrauliksystem - umspannt die Hülse das Gehäuse unter Einschließung eines nach Außen abgedichteten Speichervolumens, wobei - das Speichervolumen hydra.ulisch mit einem Innenraum des Hydrauliksystems verbunden ist - ein hydraulischer Druckanstieg im Hydrauliksystem auf der dem Gehäuse zugewandten Fläche der elastischen Hülse zur Dehnung der elastischen Hülse und zur Vergrößerung des Speichervolumens führt und dadurch der Druckanstieg reduziert wird.

Außerdem wird ein Hydrauliksystem vorgeschlagen, das ein Gehäuse und ein Ausgleich.sspeich.er aufweist, bei dem der Ausgleichsspeicher eine elastische Hülse und ein Speichervolumen aufweist - die elastische Hülse das Geriäuse unter Einschließung des Speichervolumens umspannt

- das Speichervolumen nach Außen abgedichtet ist

- das Speichervolumen hydraulisch mit einem Innenraum des Hydrauliksystems verbunden ist - ein hydraulischer Druckanstieg im Hydrauliksystem (1) auf der dem Gehäuse zugewandten Fläche der elastischen Hülse (M) zur Dehnung der elastischen Hülse (M) und zur Vergrößerung des Speichervolumens (V) führt und dadurch der Druckanstieg reduzierbar ist.

Das Reduzieren des Druckanstiegs ist dabei auch als Abfangen des bei einem Druckanstieg vorkommenden Überschussvolumens des sich im Hydrauliksystem befindlichen Fluids zu verstehen. Bei der Herstellung des Hydrauliksystems wird die Hülse über das Gehäuse geschoben und an iihren Rändern mit dem Gehäuse unter Einschließung eines Speichervolumens nach Außen abdichtend verschweißt.

Es ergibt sich der Vorteil, dass mittels der elastischen Hül- se ein thermischer Ausgleich des sich im Hydrauliksystem befindlichen Fluids bei den in Dosiervorrichtungen typischer- weise vorliegenden eingeschränkten Raumbedingungen gewährleistet wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Hydrauliksystem zusammen mit der elastischen Hülse als eigenständige und mo- dulare Einheit, also beispielsweise unabhängig von den übrigen Komponenten einer Dosiervorrichtung, hergestellt und getestet werden kann.

Die Erfindung wird anhand den folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigt

Figuren 1 bis 3 Unterschiedliche Positionen eines Hydrauliksystems mit elastischer Hülse in einer Dosiervorrichtung

Figur 4 Hydrauliksystem als hydraulisches Kompensationselement mit einer Hydraulikkammer

Figur 5 Hydrauliksystem als hydraulisches Kompensationselement mit zwei Hydraulikkammern

Lage des Hydrauliksystems in einer Dosiervorrichtung

Figur 1 zeigt ein Hydrauliksystem 1 das ein Gehäuse G aufweist, dessen Innenraurn je nach gewünschter Funktion zunächst unterschiedlich ausgestaltet sein kann und auf unterschiedlicher Weise mit weiteren Komponenten eines Injektors zusammenwirken kann. In diesem Sinne kann das Gehäuse G als Black Box betrachtet werden.

Zunächst wird zwischen einem Innenraum des Hydrauliksystems 1 und dem Innenraum des Gehäuses G nach folgender Art unterschieden: Der Innenraum des Gehäuses G ist der Raum, welcher von den Wänden des Gehäuses G umschlossen wird. Der Innenraum des Hydrauliksystems 1 dagegen ist der Raum welcher sowohl den Innenraum des Gehäuses G als auch den Raum umschließt, der zwischen dem Gehäuse und einer weiteren Abdichtung des Hydrauliksystems nach Außen, beispielsweise der elastischen Hülse M, liegt.

Das Hydrauliksystem 1 sitzt nach Figur 1 zwischen einem festen Lager B und einem Aktor A, vorzugsweise einem Piezoaktor, welcher sieht nach den Richtungen des dargestellten Pfeils ausdehnt. Es sollte beim Einbau des Hydrauliksystems in einem Injektor oder in einer Dosiervorrichtung darauf geachtet werden, dass die elastische Hülse M genügend Platz hat, um sich auszudehnen. Aus diesem Grund wird bevorzugt, dass das Gehäu- se G an seinen Stirnseiten mit dem festen Lager B verbunden ist (siehe dazu auch Figuren 2 und 3) , und nicht an seiner Mantelfläche. Das Verbindungsstück VB, vorzugsweise eine Endkappe welche auf dem Piezoaktor montiert ist, sitzt zwischen dem Hydrauliksystem 1 und dem Piezoaktor A und bewegt sich mit dem Piezoaktor und ist fest mit ihm verbunden. Unterhalb des Piezoaktors A wäre in einer Dosiervorrichtung, beispielsweise in einem Injektor, typischerweise ein Ventil (nicht gezeigt) angeordnet, welches vom Piezoaktor A geöffnet werden würde um ein Kraftstoff in eine Brennkammer zu leiten.

Das Hydraul system 1 weist eine hydraulische Funktion auf, welche sich auf verschiedene Komponenten einer Dosiervorrichtung auswirken kann. Diese ist vorzugsweise eine hydraulische Kompensationsfunktion. Eine hydraulische Kompensations- funktion besteht darin, dass eine Kraftübertragung durch das Hydrauliksystem 1 gedämpft wird. Das Hydrauliksystem kann außerdem eine Hubübertragungsfunktion, gegebenenfalls mit einem verstärkten Hubweg, bewirken. Es ist besonders günstig wenn das Hydrauliksystem 1 sowohl eine Kompensation als auch eine Kraftübertragung zwischen den Komponenten einer Dosiervorrichtung gewährleistet. Das Hydrauliksystem 1 ist derart ausgebildet, dass ein Ausgleichsspeicher AS an der Außenseite des Gehäuses G bereitgestellt ist und das Gehäuse umspannt. Der Ausgleichsspeicher AS weist eine elastische Hülse M und ein darunter einge- schlossenes Speicriervolumen V auf. Das Speichervolumen V ist also zwischen der Außenseite des Gehäuses G und der elastischen Hülse M ausgrebildet und mit dem Innenraum des Gehäuses fluidisch verbunden. Ein hydraulischer Druckanstieg im Hydrauliksystem, beispielsweise aufgrund einer erhöhten Tempera- tur, auf der dem Gehäuse zugewandten Fläche der elastischen Hülse M führt zur Dehnung der elastischen Hülse und zur Vergrößerung des Speichervolumens V sodass dadurch der Druckanstieg im Hydraulik_system reduziert werden kann. Der Druckanstieg wird also sozusagen abgefangen bzw. kompensiert. Die elastische Hülse ist an ihren Rändern an den Punkten AP mit der Außenseite des Gehäuses G verschweißt und weist Metall- und/oder Kunststoffanteile auf. Die Größe bzw. Konzentration der jeweiligen Anteile ist auf die gewünschte Elastizität der elastischen Hülse abgestimmt.

Der Ausgleichsspeicher AS dient insbesondere der Kompensation der thermischen Ausdehnung des sich im Hydrauliksystem 1 eingeschlossenen und/ oder im Innenraum des Gehäuses befindlichen Hydraulikfluids und ist im Hinblick auf einen möglichst gro- ßen Arbeitstemperaturbereich des Hydrauliksystems, wie zum Beispiel wenn es in einem Injektor eingebaut ist, besonders vorteilhaft.

Der Ausgleichspeicher AS und die elastische Hülse M stellen eigenständige Funktionselemente dar, welche sich für alle Arten rotationssymmetrisch aufgebauter hydraulischer Kraft- und Wegübertrager oder Kompensationselemente eignet und zwar unabhängig davon, wie sie im einzelnen aufgebaut sind.

Das Hydrauliksystem 1 bildet vorzugsweise ein abgeschlossenes System, sodass es fluidisch nach Außen, also beispielsweise von den weiteren hydraulischen Komponenten einer Dosiervor- richtung, wie beispielsweise Zu- und Rückläufe, getrennt ist. Das Hydrauliksystem 1 kann als selbständige Einheit in die Dosiervorrichtung eingebaut werden.

Es wird bevorzugt, dLass das Hydrauliksystem 1 eine Innenstruktur aufweist, die eine zentrale Kabeldurchführung für elektrische Anschlüsse K erlaubt, sodass der Piezoaktor A elektrisch angesteuert werden kann ohne dass die elektrischen Anschlüsse außerhalb des Hydrauliksystems, des Piezoaktors oder des Verbindungsstücks vorbeigeführt werden müssen. Diese Konstruktion ist im Hinblick auf strenge Raumbedingungen besonders vorteilhaft und schützt die elektrischen Anschlüsse vor äußeren Einflüssen.

Das Hydrauliksystem wird optimal in einem Injektor verwendet.

Figur la zeigt wie das Hydrauliksystem 1 in einer Dosiervorrichtung D eingebaut ist. Die Dosiervorrichtung D besteht aus einer Aktuatoreinheit A, welche einen Piezoaktor P, eine Rohrfeder C, und zwei Endkappen El und E2 aufweist. Der Piezoaktor ist vorzugsweise mittels der an ihren beiden Enden mit den Endkappen El , E2 verbundene Rohrfeder druckvorgespannt . Die Endkappen El, E2 sind vorzugsweise jeweils mit dem Kolben 3 des hydxaulischen Kompensationselements und mit einer Ventilnadel VN einer Ventileinheit B verbunden. Der

Kolben 3 des hydraulischen Kompensationselements ist vorzugsweise an seiner Stirnseiten Sl mit einem Rückstellmechanismus, beispielsweise mit einer Feder Fl, und an seiner zweiten Stirnseite mit der einen Endkappe El der Aktuatoreinheit ver- bunden. Das Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselements ist mit einem festen Lager L verbunden und ist somit relativ zur Aktuatoreinheit nicht beweglich. Genauer: das Gehäuse 2 ist mit einer Innenwand Dirm des Gehäuses der Dosiervorrichtung D, vorzugsweise mittels Schweißnähten SN, verbunden. Ei- ne vom Piezoaktor ausgehende Kraft wird auf den Kolben 3 der Stirnseite S2 angelegt, an der das Speichervolumen 8 direkt an die Scheibe 3a des Kolbens angrenzt. Die Kraft vom Kolben 3 wird über das Fluid der Hydraulikkammer 9 auf das Gehäuse 2 übertragen, sodass das hydraulische Kompensationselement steif ist. Somit drückt das Element E2 steif auf die Ventilnadel VN der Vent leinheit B damit ein Dichtelement bzw. ein Ventil geöffnet werden kann. Bei langsamen Dehnungen des Piezoaktors, wie nachfolgend genauer beschreiben, ist der Kolben relativ zum Gehäuse aber kraftlos verschieblich. Mittels des Rückstellmechanisrr s F kann der Kolben aber wieder in eine mittige Position gedrückt werden. Es ist auch möglich, dass die Endkappe El mit dem Gehäuse 2 auf Stirnseite S2 und der

Kolben 3 mit dem G-ehäuse der Dosiervorrichtung fest verbunden ist. In diesem Falle würde die Feder Fl mit der Stirnseite Sl des Gehäuses verbunden sein.

Es wird bevorzugt, dass ein Rückstellmechanismus in der Form eine Anschlags welcher als Ventilsitz- oder Teller VS ausgeführt ist, in der Ventileinheit bereitgestellt ist. In diesem Falle könnte die Ventilnadel VN nicht über die Ebene des Ventilsitzes VS hochgezogen werden, sodass dadurch der Kolben gezwungen wird, immer wieder in eine mittige Position relative zum Gehäuse zurückzukehren.

Die vorzugsweise weiche Feder F2 ist ebenfalls ein Rückstellmechanismus, dessen Nettokraftwirkung dazu führt, dass der Kolben 3 wieder in eine mittige Position nach einer oder mehreren Krafteinwirkungen gezogen wird.

Um für die Ausdehnung der elastischen Hülse M des Ausgleichsspeichers AS zwischen dem Gehäuse 2 des hydraulischen Kompen- sationselements und der Innenwand Di_nn der Dosiervorrichtung D genügend Raum bereitstellen zu können wird bevorzugt, dass das Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselements mittels Abstandhalter AH mit der Innenwand Dinn der Dosiervorrichtung mechanisch verbunden ist.

Figur 2 zeigt wie das Gehäuse G des Hydrauliksystems 1 in einer alternativen Position direkt mit dem Piezoaktor A verbun- den ist, sodass das Gehäuse mit der Expansion des Piezoaktors bewegt wird. Das Hubelement X, vorzugsweise ein im Hydrauliksystem aufgenommener Kolben, überträgt den vom Aktor ausgehenden Hub steif bzw. ist bei einer Kraftbeaufschlagung steif und verschiebt sich relativ zum Gehäuse G nicht. Der Kolben ist vorzugsweise mit einem axial verschieblichen Schaltelement, beispielsweise eine Ventilnadel (hier nicht gezeigt- siehe dazu Figur la) _r verbunden, welche wiederum ein Ventil öffnen oder schließend kann.

Figur 3 zeigt wie das Hydrauliksystem 1 zwischen einem festen Lager B und einem Piezoaktor A positioniert ist. In dieser Position ist es nicht mehr möglich, dass sich das Gehäuse G des Hydrauliksystems 1 bewegt. Stattdessen gibt das Hubele- ment X, wie zum Beispiel ein Kolben, im Innenraum des Hydrauliksystems 1 nach, indem er mit dem Piezoaktor A verbunden ist, nicht aber mit dem festen Lager B. In dieser Figur ist auch sichtbar, wie der elastischen Hülse M genügend Platz zwischen dem Gehäuse G und dem festen Lager gegeben wird, um ihre Ausdehnung zu gewährleisten.

Bevorzugte Merkmale des Hydrauliksystems

Figur 4 zeigt den Innenraum eines bevorzugten Hydrauliksys- tems 1, welches als hydraulisches Kompensationselement l^λ realisiert ist. Das hydraulische Kompensationselement 1^Λ ist, mit der Ausnahme von Bohrungen 11, 11a und 11b, rotationssymmetrisch aufgebaut und weist den bereits beschriebenen Ausgleichsspeicher AS auf. Das hydraulische Kompensationselement 1 weist ein hohl-zylinderförmiges Gehäuse 2 (zuvor allgemein mit G bezeichnet) , einen Kolben 3, im Sinne einer auf das Kompensationselement angelegten Kraft vordere und hintere elastische Membrane 4,5, Speichervolumina 8, 10 und eine Hydraulikkammer 9 sowie die Befüllbohrung 11 mit einem dazugehö- rigen Verschlusselement 12 auf. Durch die offenen Stirnseiten des Gehäuses 2 ragen die Endbereiche des Kolbens 3 vorzugsweise heraus . Die Hyd-caulikkammer 9 und die Speichervolumina 8, 10 sind mit einem Hydraulikfluid auswählbarer Viskosität gefüllt.

Die Speichervolumina 8, 10 sind durch den Raum zwischen den elastischen Membranen 4, 5, dem Gehäuse 2 und dem Kolben 3 definiert. Sie werden mittels der am Kolben 3 und am Gehäuse 2 durch Anschweißpunkte 4a, 5a dichtend befestigter elastische Membranen 4,5 hermetisch dicht gegen die Umgebung bzw. nach Außen abgeschlossen.

Das hydraulische Kompensationselement 1 ist wie beim Hydrauliksystem 1 nach den Figuren 1 bis 3 als hydraulisch abgeschlossenes System zu betrachten, sodass der befüllbare Raum zwischen Kolben 3_r Gehäuse 2 und den elastischen Membranen 4,5 auch als abgeschlossenes System zu verstehen ist. Insbesondere dichtet die elastische Hülse M zusammen mit den Membranen 4 und 5 den Innenraum des Kompensationselements l nach Außen ab. Die Speichervolumina 8 oder 10 sind fluidisch mit dem Speichervolumen V verbunden.

Vorteilhafterweise unterstützt die elastische Hülse M den von den Membranen 4 und 5 erreichbaren thermischen Ausgleich des hydraulischen Kompensationselement 1 insbesondere in Fällen, wo die Membranen 4,5 mit einem Bi-Metall-Effekt, thermi- sehen Ausdehnungskioeffizienten und Elastizitäten nicht ausreichen um das erhöhte Fluidvolumen des Innenraums des Kompensationselements l bei erhöhter Temperatur abzufangen.

Die elastische Hülse M weist auch noch den weiteren Vorteil auf, dass der temperaturbedingte Druckanstieg im hydraulischen Kompensatio selement hinreichend klein bleibt und damit auch die druckinduzierten mechanischen Materialspannungen in den Membranen 4,5 in werkstoffverträglichen Grenzen bleiben.

Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kolben 3 sind Spielpassungen

6,7, Speichervolumina 8, 10 und eine Hydraulikkammer 9 ausgebildet. Ergänzend Jann die Summe dieser Räume als Innenraum des hydraulischen Kompensationselements bezeichnet werden. Die Hydraulikkammer 9 ist zwischen einer axial druckwirksamen Kreisringfläche 3a ' des Kolbens 3 und einer gegenüber liegenden axial druclwirksamen Kreisringfläche 2a ^Λ ausgebildet. Sie ist an jeder Seite jeweils mit einer Spielpassung 6,7 verbunden.

Der Innenraum des Gehäuses 2 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er unterschiedliche Durchmesser aufweist, sodass beim stets eingeführten Kolben 3 im Gehäuse eine Spielpassung 6 und eine Spielpassung 7 mit jeweils unterschiedlichen Entfernungen von der Längsachse des Gehäuses bereitgestellt sind, wobei es auch mehrere Spielpassungen mit identischen Entfernungen von der Achse geben kann. Der Kolben 3 ist im Gehäuse 2 reibungsarm axial verschieblich eingepasst. Der Bereich 3a vergrößerten Durchmessers des Kolbens 3, der im entsprechend vergrößerten Durchmesser aufweisenden Innenraums des Gehäuses 2 eingepasst ist, kann auch als Scheibe 3a vergrößerten Durchmessers verstanden werden. Der Bereich des Ge- häuses 2, der einen kleineren Innendurchmesser aufweist, kann als Engpass 2a für den Kolben 3 verstanden werden.

Die Spielpassungen 6,7 bewirken eine erhebliche Fluiddrosse- lung eines Fluids zwischen der Hydraulikkammer 9 und den Speichervolumina 8 und 10.

Die Funktion des hydraulischen Kompensationselements 1^Λ basiert darauf, dass durch die Hydraulikkammer 9 und den stark drosselnden Spielpassungen 6,7 kurzzeitig sehr hohe Kräfte übertragen werden können und die Hydraulikkammer 9 ein einem Festkörper vergleichbare Steifigkeit aufweist, während bei langsamen Relativbewegungen zwischen Kolben und Gehäuse, beispielsweise durch die thermische Dehnung des Aktors, der Kolben 3 gegenüber dem Gehäuse 2 innerhalb gewisser Grenzen, wie beispielsweise der Höhe der Hydraulikkammer 9, praktisch kräftefrei (Steifigkeit 0) verschiebbar ist. Das hydraulische Kompensationselement 1 ^Λ ist zum Einsatz in kurzzeitig arbei- tenden Schaltv-entilen oder auch periodisch arbeitenden Schaltventilen einsetzbar, wobei vorzugsweise die Phase der Kraftübertragung im Vergleich zur Entleerte der Hydraulikkammer kurz ist.

Es wird bevorzugt, dass das allgemein in Figur 1 vorgestellte Hydrauliksystem 1 kurzzeitig einwirkende Kräfte steif überträgt, beispielsweise mittels einer Konstruktion gemäß dem hydraulischen Kompensationselement 1\ eine langsame Relativ- bewegung abfängt und einen Druckanstieg im Hydrauliksystem, beispielsweise durch erhöhte Temperatur, reduziert.

Dabei sollte das Reduzieren eines durch Temperaturerhöhung induzierten Druckanstiegs im Hydrauliksystem durch die Deh- nung der elastischen Hülse M nicht mit dem Abfangen der langsamen Relativbewegung zwischen Kolben und Gehäuse durch den erwärmten Piezoaktor verwechselt werden.

Das Hydrauliksystem wird vorzugsweise derart verwendet, dass das Hydrauliksystem an einer Stirnseite an eine Ventilnadel und an der anderen Stirnseite an einem Aktor verbunden ist und sowohl die langsame thermische Dehnung des Aktors abfängt als auch eine -vom Aktor (A) ausgehenden Kraft steif an die Ventilnadel überträgt.

Bei einem hydraulischen Kompensationselement der vorgestellten Art muss eine reibungsarme Bewegung des Kolbens 3 relativ zum Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselements gewährleistet sein, da ansonsten seine angestrebte Ausgleichsfunk- tion nicht oder nur eingeschränkt gegeben wäre. Hierzu sind die Passungsmasse und Toleranzen von Kolben und Gehäuse so zu wählen, dass ein positives Spiel vorhanden ist. Für eine rei- bungs- und ruckarme Bewegung zwischen Kolben und Gehäuse ist zusätzlich eine hinreichende Oberflächengüte der Außenseite des Kolbens und/oder der Innenwand des Gehäuses, insbesondere eine geringe Oiberflächenrauhigkeit, wie sie beispielsweise durch Schleifen hergestellt werden kann, und um Verkippungen zu vermeiden, eine ausreichende Führungslänge, vorteilhaft. Eine Einhaltung der Passungsmasse von Kolben und Zylinder wird derart sichergestellt, dass es nicht nur im Montagezustand sondern auch im stationären und instationären Betrieb des hydraulischen Kompensationselements zu keinem Klemmen oder reibungsbehafteten Gleiten (Stick-Slip) des Kolbens im Gehäuse, beispielsweise durch eine stärkere thermische Ausdehnung des Kolbens in Bezug auf das Gehäuse oder eine stärkere thermische Kontraktion des Gehäuses in Bezug auf den Kolben, kommen kann. Insbesondere im Instationärbetrieb und bei hohen Betriebsfrequenzen entstehen aufgrund der hohen und sich zeitlich stark ändernden Wärmefreisetzung des Piezoaktors bei gleichzeitiger Kühlung durch den Kraftstoff radiale Temperaturgradienten, die zu einer unterschiedlichen thermi- sehen Ausdehnung von Kolben und Zylinder und bei nicht sachgerechter Auslegung zu Klemmungen führen können. Dieses kann durch folgende Maßnahmen verhindert werden:

a.) der Kolben und das Gehäuse bestehen aus dem gleichen Ma- terial oder Materialien mit dem gleichen Temperaturdehnungs- koeffizienten. Zur Vermeidung von Klemmungen ist ein hinreichend großes Spaltmaß zwischen Kolben und Zylinder im Bereich von 10 bis 50 μm in Verbindung mit einem Fluid höherer Grundviskosität im Bereich 100 bis 1000 Centistokes bei ausrei- chender Füihrungslänge des Kolbens im Gehäuse zur Vermeidung von Verkippungen, zu wählen.

b.) Erwärmt sich der Kolben z.B. stärker als das Gehäuse aufgrund eines angeschlossenen Antriebselementes wie z.B. auf- grund des Piezoaktors (hierbei entsteht ein nicht zu vernachlässigender radialer Temperaturgradient) , so wird für den Kolben 3 ein Material mit kleinerer thermischer Dehnung gewählt, wodurch der Kolben nicht in den engen Spielpassungen 13g zu klemmen beginnt.

c.) Kann man davon ausgehen, dass sich der Kolben 13b, das Hydraulikfluid und das Gehäuse 13a immer auf nahezu gleicher Temperatur befinden, so kann der Temperatureinfluss auf die Spaltströmung zwischen den Spielpassungen 13g im durch einen Aktor belasteten Zustand des Hydrauliksystems in weiten Bereichen kompensiert werden, wenn der Kolben eine geeignet ge- wählte höhere thermische Dehnung als das Gehäuse aufweist. Die Erklärung besteht darin, dass die Viskosität des Hydrau- likfluids gemäß einem Exponentialgesetz mit der Temperatur abnimmt und der Volumenstrom des Hydraulikfluiden entlang der Spielpassungen entsprechend exponentiell zunimmt. Der Volu- menstrom ist dabei proportional zur 3. Potenz der Breite der Spielpassungen, welches auch als Passmaß bezeichnet werden kann. Das Passmaß nimmt mit der Temperatur linear ab und somit sind die Temperatureffekte auf das Passmaß und auf die Viskosität gegenläufig.

Figur 5 zeigt ein Hydrauliksystem in der Form eines hydraulischen Kompensationselements 1 welcher zwei Hydraulikkammern 9 und 20 aufweist, mit dem Ausgleichsspeicher AS versehen ist. Das Gehäuse 2 ist im Vergleich zum Gehäuse 2 der Figur 4 um einen Teil 18 erweitert um die zweite Hydraulikkammer 20 unterbringen zu können. Der erweiterte Teil 18 kann als feste Hülse 18 betrachtet werden, welche bei der Herstellung über das in Figur 4 gezeigte Gehäuse 2 geschoben und anschließend angeschweißt wird. Die Außenkontur des Kolbens 3 ist dabei an die Innenwand dieser Hülse 18 angepasst, sodass eine zusätzliche Spielpassung 19 zwischen dem Kolben und dem Gehäuse gebildet wird.

Die Hülse 18, der Kolben 3 und das Gehäuse 2 begrenzen eine zweite untere Hydraulikkammer 20, welche zwischen der axial druckwirksamen Fläche 2a^, der Hülse und der einen axial druckwirksamen Fläche 3a des Kolbens ausgebildet ist. Das Gehäuse 2 und die Hülse 18 sind fluiddicht und mechanisch steif beispielsweise mit einer Schweißnaht 21 miteinander verbunden, und können als eine Einheit betrachtet werden. Das obere Ende der oberen engen Spielpassung 6 mündet in den oberen Speichervolumen 10, der nach wie vor mit Hilfe einer fle- xiblen aber druckfesten oberen Membrane 4 nach Außen abgedichtet ist. Die untere Membrane 5 ist dagegen an ihrem Innendurchmesser am unteren Ende des Kolbens 3 und an ihrem Außendurchmesser an der Hülse 18 hermetisch dichtend befestigt. Über drei enge Spielpassungen 6, 7, 19 sind die Hydraulikkammern 9, 20 fluidisch stark gedrosselt mit den Speichervolumina 8, 10 verbunden.

Der Aufbau mit zwei Hydraulikkammern führt vorteilhafterweise zu einer Verdoppelung der hydraulischen Steifigkeit des einfach wirkenden Kompensationselements nach Figur 4.

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt auch den Einsatz von Ventilen 15, sogenannte Flappervalves . Sowohl das Gehäuse 2 als auch der Hydraulikkolben 3 sind mit Bohrungen 16, 14, 14a und 14b versehen. Bei einer Kraftbeaufschlagung des hydraulischen Kompensationselements in Richtung des Pfeils schließen sich die Flappervalves 15, sodass das Hydraulikfluid nur über die Spielpassungen 19 und 7 fließen kann und somit eine hohe Steifigkeit des hydraulischen Kompensationselements erreicht wird. Bei einer Zugkraft in die dem Pfeil entgegensetzte Richtung öffnen sich dagegen die Flappervalves 15 sodass das Hydrauli fluid schneller in die Speichervolumina 8, 10 und V zurückfließen und somit die Gleichgewichtslage des hydrauli- sehen Kompensationselements 1 ^{Λ Λ} schneller hergestellt werden kann.

Selbstverständlich ist es auch möglich, dass entweder das Gehäuse 2 ^Λ oder der Kolben 3 mit axialen Bohrungen versehen werden. Durch eine geeignete Auswahl der Anzahl und der Position der Bohrungen kann die Rücklaufgeschwindigkeit des Hydraulikfluids bei einer Zugkraft eingestellt werden.

Eine weitere Bohrung (nicht dargestellt) kann die Hydraulik- kammer 9 mit dem Speichervolumen V des Ausgleichsspeichers AS verbinden, wobei die Bohrung in diesem Fall eine geeignete Richtungsänderung aufweisen müsste, beispielsweise um etwa 90°, um die Hydraulikkammer 9 mit dem Speichervolumen V zu verbinden. Alternativ ist eine T-förmige Ausbildung sämtlicher der hier vorgestellten Bohrungen möglich, sodass durch die Bohrungen mindestens zwei Speichervolumina, beispielswei- se 8 und V, mit einer Hydraulikkammer 9 oder 20 verbinden. Es wird auch hier bevorzugt, dass die Bohrungen wie bereits beschrieben mit Flappervalves zusammenwirken.

Das durch die Zusammenarbeit des Ausgleichsspeichers AS mit den Membranen 4,5 erreichbare gesamte Speichervolumen sowohl im einfach wirkenden hydraulischen Kompensationselement nach Figur 4 als in einem bidirektional wirkenden hydraulischen Kompensationselement gemäß einer Weiterbildung nach Figur 5 ermöglicht ein für Piezoantriebe mehr als hinreichender Kom- pensationsweg von ± 100 μm.

Die Flappervalves 15 und Bohrungen 14 und 16 können mit deren beschriebenen Funktionen natürlich in analoger Weise für das einfach wirkende hydraulische Kompensationselement nach Figur 4 verwendet werden.

Wird das hydraulische Kompensationselement ohne Flappervalves 15 und Bohrung 14 und 16 (mit der Ausnahme der Befüllbohrung) hergestellt, so würde es bidirektional wirken. Bei einer sol- einen Konstruktion kann das hydraulische Kompensationselement vorteilhafterweise von beiden Stirnseiten her mit Kraft bea fschlagt werden .

Hexstellung des mit dem Ausgleichsspeicher AS versehen Hyd- raΛiliksystems 1

Bei der Herstellung eines mit dem Ausgleichsspeicher AS versehen Hydrauliksystems 1 wird die elastische Hülse M mit geeigneter Wandstärke δ, Länge 1 und geeignetem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise

eng anliegend über das Gehäuse G geschoben und an seinen Endbe- reichen mit dem Gehäuse G, welcher beispielsweise einen Ausdehnungskoeffizienten von 0-2 aufweist, verschweißt.

Es wird für einen optimalen thermischen Ausgleich bevorzugt dass die Ausdehnungskoeffizienten jeweils der elastischen Hülse M und des Gehäuses G ein Verhältnis von αi > 0C2 aufweisen.

Es wird bevorzugt, dass das Hydrauliksystem 1 trocken, d.h. ohne Einschluss eines Hydraulikfluids und bei Raumtemperatur bis auf die Montage der Hülse M aufgebaut wird.

Anschließend wird die elastische Hülse M und das vormontierte Hydrauliksystem auf die niedrigste für das Hydrauliksystem vorgesehene Betriebstemperatur gebracht, übereinandergescho- ben und verschweißt.

Wo das Hydrauliksystem 1 ein hydraulisches Kompensationselement l oder 1^,Λ jeweils nach den Figuren 4 und 5 ist, wird es mittels einer geeigneten Vorrichtung über die Befüllboh- rung 11 evakuiert und anschließend mit entgastem Hydraulikfluid blasenfrei unter einem vorgegebenen Druck befüllt und die Befüllbohrung 11 mit einem Dichtelement 12 hermetisch dichtend verschlossen. Dieser Vorgang kann bei jeder Tempera- tur oberhalb der minimalen Betriebstemperatur erfolgen, solange nur das Hydraulikfluid und das hydraulische Kompensationselement die gleiche Temperatur aufweisen.

Der tatsächliche Fluiddruck im Hydrauliksystem 1 kann über- wacht werden, wenn vor der Befüllung eine Kalibrierkurve aufgezeichnet wurde: beispielsweise kann die Änderung des Durchmessers der elastischen Hülse M auf einer definierten Höhe des Gehäuses G als Funktion eines Gasdruckes, der an der Öffnung der Befüllbohrung nach Außen angelegt wird, aufgezeich- net werden, wobei die Temperatur konstant gehalten wird. Alternativ kann die Auswölbung der Membranen 4, 5 an einer bestimmten Stelle als Funktion des Druckes als Kalibrierkurve aufgezeichnet werden. Nach erfolgter Befüllung und Verschluss der Befüllbohrung 11 kann der tatsachlich herrschende Druck durch eine entsprechende Auslenkungsmessung bestimmt werden. Dieses Verfahren eignet sich zur Befüllprozessentwicklung, um Fluiddrücke genau einstellen zu können.

Der Innendruck des Hydrauliksystems 1 kann mit Hilfe der Einpresstiefe eines Verschlusselementes 12 innerhalb eines kleinen Druckintervalls feinjustiert werden. Der EinpressVorgang des Verschlusselementes lauft in zwei Phasen ab:

a) Das Verschlusselement 12 wird in die Befüllbohrung 11 eingeführt, wobei bis in eine geometriebedingte Tiefe t der Befüllbohrung ein Fluidaustausch vom Innenraum des Hydrauliksystems nach Außen möglich ist.

b) Bei einer Einpressung über t hinaus ist kein Fluidaustausch mehr möglich, sodass der Innendruck im Hydrauliksystem bei weiterem Einpressen des Verschlusselements 12 steigt.

Anhand der Einpresstiefe bei gleichzeitiger Auslenkungsmessung kann also der Innendruck sehr genau gemessen werden.

Der Durchmesser der elastischen Hülse M ist typischerweise durch Forderungen beispielsweise an die mechanische Steifigkeit der Hydraulikkammer 9 und die Wandstarke des Gehäuses 2 festgelegt. Das Befullvolumen wird vorzugsweise möglichst klein gehalten, wird aber durch den notigen Kompensationsweg (Mindesthöhe der Hydraulikkammer 9; Mindesthöhe unter den Membranen 4, 5) begrenzt.

Die elastische Hülse M und dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient wird genau auf den thermischen Ausdehnungskoeffi- zienten des Gehäuses G, auf das Befullvolumen und die thermische Volumenausdehnung des Hydraulikfluids abgestimmt, so dass über den gesamten Arbeitstemperaturbereich der im Hydraulikfluid herrschende Druck in engen Grenzen konstant gehalten wird.

Figur 6 zeigt wie das in Figur 5 vorgestellte hydraulische Kompensationselement 1 ^Λ mit einem kleinstmöglichen Querschnitt realisiert ist. Das hydraulische Kompensationselement ist dabei bidirektional, da es keine Bohrungen 14, 16 oder 14b mit den entsprechenden Flappervalves 15 aufweist. Das Gehäuse 2 ist um einen Gehäuseteil 18b erweitert, welcher fest am ursprünglichen Gehäuse 2 angeschweißt wird ohne dass im Gegensatz zur Hülse 18 gemäß der Figur 5 diese Erweiterung zu einem insgesamt vergrößerten Querschnitt des erweiterten Gehäuses führt. Die Hülse 18b kann wie bei der Hülse 18 für denselben Zweck Bohrungen aufweisen und mit Flappervalves 15 versehen werden. Um einen minimalen Querschnitt der gesamten Vorrichtung zu erreichen wird bevorzugt, die Anschweißstellen 21a versenkt oder zumindest an der Oberfläche des Gehäuses glatt auszuführen. In der Herstellung kann dies anhand eines Überschleifens der Schweißstellen erreicht werden. Wenn wie hier vorgestellt das Gehäuse 2 mit einer ununterbrochenen, glatten Mantelfläche bereitgestellt wird, kann die elastische Hülse M vorteilha terweise problemlos über das Gehäuse geschoben und der Ausgleichsspeicher AS hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verwendung einer elastischen Hülse (M) zur Reduzierung ei- nes hydraulischen Druckanstiegs in einem mindestens ein Gehäuse aufweisenden Hydrauliksystem (1), bei der die elastische Hülse das Gehäuse (G) unter Einschließung eines nach Außen abgedichteten Speichervolumens (V) umspannt, - das Speichervolumen (V) hydraulisch mit einem Innenraum des Hydrauliksystems (1) verbunden ist ein hydraulischer Druckanstieg im Hydrauliksystem auf der dem Gehäuse zugewandten Fläche der elastischen Hülse zur Dehnung der elastischen Hülse und zur Vergrößerung des Speichervolumens führt und dadurch der Druckanstieg reduziert wird.

2. Verwendung nach Anspruch 1, bei der das Material der elastischen Hülse (M) durch einen Ausdehnungskoeffizienten ge- kennzeichnet ist, welcher sich von dem des Gehäuses (G) unterscheidet .

3. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die elastische Hülse (M) Metall- und/oder Kunststoffanteile aufweist.

4. Hydrauliksystem (1) aufweisend ein Gehäuse (G) und einen Ausgleichsspeicher (AS) , dadurch gekennzeichnet, dass

- der Ausgleichsspeicher (AS) eine elastische Hülse (M) und ein Speichervolumen (V) aufweist,

- die elastische Hülse (M) das Gehäuse (2) unter Einschließung des Speichervolumens (V) umspannt, das Speichervolumen (V) hydraulisch mit einem Innenraum des Hydrauliksystems (1) verbunden ist, - ein hydraulischer Druckanstieg im Hydrauliksystem (1) auf der dem Gehäuse zugewandten Fläche der elastischen Hülse (M) zur Dehnung der elastischen Hülse (M) und zur Vergrö- ßerung des Speichervolumens (V) führt und dadurch der Druckanstieg reduzierbar ist.

5. Hydrauliksystem nach Anspruch 4, aufweisend: - einen im Gehäuse (G,2) verschieblich eingeführten Kolben (3), - mindestens eine Hydraulikkammer (9) , Spielpassungen (6,7), welche zwischen dem Kolben und dem Gehäuse ausgebildet sind, - Membranen (4,5), welche das Gehäuse (G,2) und den Kolben (3) jeweils an den Stirnseiten des Hydrauliksystems (4,5) miteinander verbinden und welche jeweils Speichervolumina (8,10) einschließen, wobei das Hydrauliksystem hydraulisch abgeschlossen ist.

6. Hydrauliksystem nach Anspruch 5, bei dem die mindestens eine Hydraulikkammer (9) zwischen einer axial druckwirksamen Fläche (3a^λ) des Kolbens (3) und einer axial druckwirksamen Fläche (2a^Λ) des Gehäuses (G,2) ausgebildet ist.

7. Hydrauliksystem nach Anspruch 6, bei dem zwei Hydraulikkammern jeweils zwischen zwei axial druckwirksamen Flächen (2a , 2a^,Λ) des Gehäuses (G,2) und zwei axial druckwirksamen Flächen (3a 3a^, ) des Kolbens (3) ausgebildet sind.

8. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mantelfläche des Gehäuses (G,2) glatt ausgebildet ist.

9. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ausdehnungskoeffizient der elastischen Hülse (M) sich vom Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses (G,2) unterscheidet .

10. Hydrauliksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elastische Hülse (M) Metall- oder Kunststoffanteile aufweist.

11. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem der Kolben (3) und das Gehäuse (G,2) jeweils unterschiedliche Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen.

12. Hydrauliksystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei dem durch seine Spielpassungen (6, 7) und Hydraulikkammern (9, 20) das Hydrauliksystem eine hohe Steifigkeit gegenüber kurzzeitigen Kraftbeaufschlagungen aufweist und durch die elastischen Membranen (4,5,22) ein Längenausgleich eines auf das hydraulische Kompensationselement wirkenden Elements erreichbar ist und eine thermische Volumenänderung des im hydraulischen Kompensationselement befindlichen Fluids abfangbar ist.

13. Verwendung eines Hydrauliksystems nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei der das Hydrauliksystem an einer Stirnseite mit einem Schaltelement, insbesondere eine Ventilnadel, und an der anderen Stirnseite mit einem Aktor (A) verbunden ist und sowohl die langsame thermische Dehnung des Aktors abfängt als auch eine vom Aktor (A) ausgehenden Kraft steif an die Ventilnadel überträgt.

14. Verwendung eines Hydrauliksystems nach einem der Ansprü- ehe 4 bis 12, bei der der Hydraulikkolben (3) mit einem Schaltelement und das Gehäuse (2) mit einem Aktor verbunden ist.

15. Verwendung eines Hydrauliksystems nach einem der Ansprü- ehe 4 bis 12, bei der der Hydraulikkolben an seinen beiden Stirnseiten (3) jeweils mit einem Aktor (A) und mit einem Schaltelement verbunden ist.

16. Verwendung nach Anspruch 15, bei der das Gehäuse (2) mit einem festen Lager (B) verbunden ist.

17. Verwendung eines Hydrauliksystems nach einem der Anspruch 4 bis 12 in einem Injektor.

18. Verfahren zur Herstellung eines Hydrauliksystems nach einem der Ansprüche 4 bis 12, bei der die elastische Hülse (M) über das Gehäuse (G,2) geschoben und an Rändern mit dem Gehäuse (G,2) unter Einschließung eines Speichervolumens (V) nach Außen abdichtend verschweißt wird.