WO2011157613A1 - Einspritzventil mit direkt- und servoantrieb - Google Patents

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WO2011157613A1
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Attila Reimer
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02M2200/701—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical
    • F02M2200/702—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger mechanical with actuator and actuated element moving in different directions, e.g. in opposite directions

Definitions

  • Valve devices are used to convey or distribute a wide variety of liquids.
  • Such valve devices may for example be designed as so-called injectors, in which the opening of an injection nozzle is controlled very precisely by means of a valve needle.
  • Mi ⁇ t a modern injector can thus be portioned even the smallest amounts of liquid exactly.
  • This accuracy is needed, for example, in internal combustion engines, where fuel is injected under high pressure into the combustion chamber by means of corresponding fuel injectors.
  • the fuel supply must be carried out in exactly specified conditions and at predetermined times.
  • the fuel injection valve of a modern internal combustion engine generally performs multiple injections, wherein the amount of fuel used is varied depending on the injection phase.
  • relatively small amounts of fuel are injected for ⁇ pilot typically, while relatively large amounts of fuel be transported into the combustion chamber in the main injection.
  • the range of fuel required in each phase of fuel injection in an internal combustion engine quantity constitutes an important criterion in the construction of a suitable injection valve.
  • the drive device provided for moving the valve needle must be sufficiently large to ensure the maximum needle lift required during the main injection.
  • the valve needle must also be suffi ⁇ accordingly fast and precise control to allow optimum injection of small or very small amounts of fuel during the pilot injection.
  • a drive device typically used for the deflection of the valve needle therefore has an electric drive means, such.
  • the actuator operates as a direct drive, wherein the valve needle UNMIT ⁇ telbar the deflection or expansion of the actuator is following deflected from its closed position due to a mechanical contact with components of the drive. Therefore, the direct drive enables particularly fast switching times and precise controllability, especially in combination with a closed-loop
  • the switchable ⁇ way is limited to the maximum deflection of the actuator.
  • these are only about 60 to 70 microns.
  • such a small needle stroke is unfavorable to promote larger quantities of liquid.
  • a more elaborate structure of Di ⁇ rektantriebs is necessary, which is reflected among other things in height ⁇ ren manufacturing costs.
  • hydraulic drive devices can also be used. In the drive concept sem ⁇ a deflection of the valve needle is evidence ER causing hydraulic force by utilizing different pressure conditions within the valve device.
  • the drive device comprises an electric drive component, which causes a direct deflection of the valve needle and ei ⁇ ne hydraulic drive component, which is activated in addition to the electric drive component and causes a ballistic ⁇ cal deflection of the valve needle.
  • the direct drive can be combined with a closed-loop control, which can increase the accuracy of valve needle control.
  • the hydraulic drive component is a rela ⁇ tively large displacement of the valve needle and thus the Einsprit ⁇ Zung larger quantities of liquid, such as during the main injection phase can be achieved.
  • the combination of Both drive concepts also go hand in hand with a reduction of the manufacturing costs, since only a shorter piezostack is needed.
  • the drive device is designed to effect the activation of the hydraulic drive component by the electric drive component. In this way, an automatic ⁇ specific activation of the hydraulic drive enables component is light. Since, in this case, the two operating modes, namely "pure electrical operation" and “mixed operation", are controlled only with the aid of the means used to control the electric drive component, a simplified and therefore also cost-effective design is thus made possible.
  • the hydraulic drive component is designed as a servo valve, which connects the valve needle chamber with a low-pressure channel, wherein the servo valve comprises a valve element, which is transferred by the deflection of the electric drive component from a closed position to an open position.
  • servo valves allow a rela ⁇ tively large needle stroke.
  • the direct activation of Ventilele- ment by the deflection of the electric drive component allows the realization of a particularly simple automatic ⁇ tables activation of the hydraulic drive component.
  • a further embodiment provides that the displacement of the electric drive component only after overcoming an activation threshold leads to an activation of the hydraulic devices ⁇ rule drive component, wherein the Aktiv istsschwel ⁇ le is determined by a tolerance in the mechanical transmission path from the electric drive component to the valve element.
  • the mechanical transmission path from the electric ant ⁇ riebskomponente to the valve element comprises at least one mechanical transmission element, by means of which the deflection of the electric drive component is transmitted to the valve element of the hydraulic drive component.
  • a further embodiment provides that the Kochtra ⁇ restriction member is pin-shaped. This allows a direct and therefore simple transmission the movement of the electric drive to the valve element.
  • a further embodiment provides that the mechanical transmission line a hebeiförmiges transmission member ⁇ construed that be ⁇ is actuated by the pin-shaped transmission element.
  • the deflection of the electric drive component can be arbitrarily converted into a movement for activation of the valve element.
  • the direction of movement can be reversed, so that the valve element is opened counter to the deflection direction of the electric drive component.
  • the electric drive component comprises a piezoelectric element, which causes the desired deflection when applying ei ⁇ ner electrical voltage.
  • piezoelectric elements have a fast response, making them ideal for use for precise control of the valve needle, in particular in combination with a geeig ⁇ Neten control. This is particularly advantageous when injecting the smallest amounts of liquid. Furthermore, piezoelectric elements can be produced relatively inexpensively.
  • the electric drive component by means of a closed-loop
  • valve device is ⁇ forms as an injection valve for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. Due to the combined properties of the two drive systems according to the invention Ventilvorrich ⁇ processing is particularly suited for the pilot injection and the
  • FIG. 1 shows a valve device designed as an injection valve with a drive device according to the invention
  • FIG. 2 shows the drive device of the injection valve device from FIG. 1 in the rest position;
  • FIG. 2 shows the drive device from FIG. 2 with a valve needle slightly deflected by means of direct drive,
  • FIG. 4 shows the drive device from FIGS. 2 and 3 in servo operation with a valve needle in ballistic flight,
  • Fig. 5 is a timing diagram in which an example of an injection process of the injection valve according to the invention with pre and main injection is shown.
  • FIG. 1 shows a valve device 100 according to the invention for conveying lubricating and non-lubricating liquids.
  • the valve device shown here is preferably a fuel injection valve for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the injection valve 100 comprises a housing 110.
  • the generally multi-part on ⁇ built housing comprises an upper and a lower housing ⁇ seteil 111, 112, wherein the distribution of the housing may vary depending on the application.
  • the valve device 100 further comprises a valve needle 120 arranged in a valve needle chamber 113 in the interior of the housing 110.
  • the valve needle 120 controls an injection nozzle (not shown here) provided in the lower part of the housing 110, through which high-pressure fuel is discharged into the combustion chamber ,
  • the supply of the fuel takes place via a passage extending in the Ge ⁇ housing 110 high pressure passage 116th
  • the valve pin 120 is movable in the axial direction STORED and typically comprises a shaft-shaped From ⁇ cut 121 is formed at its lower end serving as a closing element for the opening of the injection valve needle tip ⁇ 125th
  • the valve needle 120 is typically by means of spring force into its valve seat supported ⁇ th.
  • a helical compression spring 130 is provided in the present example, the undergeb- in a plane formed by a portion of the valve needle chamber 113. Spring chamber 150 is revenge.
  • the pressure spring 130 attached to a collar-shaped valve needle part 124 exerts a downward pressure on the valve needle 120. To open the injection valve, the valve needle 120 is therefore deflected against the spring force of the compression spring 130 upwards.
  • an ant ⁇ riebs worn 200 is provided, which is preferably integrated in the housing 110 of the valve device 100.
  • the drive ⁇ device 200 includes an electric drive component 210, which serves as a direct drive.
  • any suitable electrically operated actuator in question by means of electrical signals, such as. B. current or voltage ⁇ pulses, is controlled.
  • actuators which frequently consist of piezoelectric materials are used in injection valves, in which a change in the electrical voltage applied thereto leads to an expansion or contraction.
  • Such piezo actuators are typically manufactured as a so-called piezo zostacks one above the other of several be arrange ⁇ th piezoelectric layers are formed. Furthermore, electromagnetic actuators are used in which the desired deflection is effected by applying corresponding current pulses.
  • the electric drive component is formed by a piezo stack 210.
  • the piezo stack 210 accommodated in an inner housing chamber has a cylindrical shape and has a central bore 211 for receiving the shaft-shaped part 121 of the valve needle 120.
  • the piezoelectric stack 210 does not fill the interior case chamber completely, whereby a pressure chamber 114 for receiving a Tel ⁇ ler Modell the valve needle 120 is formed above the piezoelectric stack 210 121st
  • the Tel ⁇ ler Modell 121 thereby forms the upper end of the valve ⁇ needle 120 and is connected to the shaft-shaped valve needle part 121 which extends within the bore 211.
  • a disc-shaped ring member 212 On the cylindrical piezo stack 210 is a disc-shaped ring member 212, which serves to support the Ventilnadeltel ⁇ lers 121.
  • the valve needle plate 122 When the piezo stack 210 is expanded, the valve needle plate 122 is moved away from the annular ring arranged underneath. ment 212 entrained, whereby the valve needle 120 deflected against the force of the compression spring 130 and the nozzle opening is released. Due to the mechanical contact between piezo stack 210, ring element 212 and valve needle plate 122 during deflection, the valve needle 120 reacts un ⁇ indirectly on the movement of the piezo stack 210.
  • the driving device according to the invention 200 has to ⁇ additionally also includes a hydraulic drive 220, 117 connecting the servo valve is designed in the present case as a the pressure chamber 114 with a low pressure channel.
  • Servo valve 220 comprises a conical valve element 221 which closes a likewise conically shaped valve opening in the upper ceiling element of pressure chamber 114.
  • To open the servo valve 220 is a arranged in a side chamber 118 of the low pressure passage 117 arcuate He ⁇ belelement 223, which attaches to the valve element 221 and is operated by ⁇ means of a pin-shaped transmission element 213.
  • the pin-shaped transmission element 213 is arranged guided in a bore of the upper ceiling element of the pressure chamber 114 and lies with its lower end on the Ringele ⁇ ment 212. To this end, the valve needle 120 is seen with a corresponding opening genü ⁇ quietly tolerance for pin-shaped transmission element 213 in the upstream plate-shaped closure element 122nd
  • the two transmission elements 213, 223 are preferably designed so that they do not touch each other in the closed state of the valve device 200 and thus the operation of the arcuate transmission element 223 takes place only after overcoming a distance given by their distance 214.
  • FIG. 2 shows a section of the drive device 200 from FIG. 1.
  • the plate-shaped closing element 122 of the valve needle 120 does not rest directly on the ring element 212. Rather, both elements are separated by a small gap, by which a so-called idle stroke is defined. Only after overcoming the idle stroke, the two elements come into contact with each other (not shown here).
  • FIG. 2 illustrates the starting situation in which the valve needle 120 is pressed into the valve seat with the force of the compression spring 130 and consequently keeps the injection nozzle closed.
  • the piezoelectric actuator 210 expands in the direction of the valve needle plate 122. After overcoming the Leerhubs the valve needle plate 122 is taken from the ring member 212, resulting in a deflection of the valve needle 120 from its rest position. A corresponding situation is shown in FIG.
  • valve needle is pushed back by the compression spring 130 in the direction of the valve opening and the injection valve is closed again.
  • This process can be influenced by premature closing of the servo valve 220, which can be effected by a corresponding contraction of the piezo stack 210.
  • the valve member is pressed 221,114 and low pressure channel 117 ruling from the interim rule ⁇ pressure chamber pressure difference back into his seat, whereby the pressure drop across the low-pressure channel 117 ends abruptly loading is.
  • the closing operation can be supported by means of a Fe ⁇ derelements, which presses the valve element 221 in its valve seat (not shown here).
  • Ser is however arranged voventil the shown here injection valve 200 so that the opening of the valve member 221 now takes place in the extension direction of the piezo stack 210th Thereby, the deflection of the piezo element 210 can be transferred via a simple pin-shaped transmission element 224 directly onto the valve element ⁇ 221st As shown in FIG. 5, the transmission element 224 does not sit directly on the ring element 214. The between the two elements
  • FIG. 6 shows a possible injection process in which fuel is injected into the combustion chamber of an internal combustion engine in a plurality of individual sprays with the aid of the injection valve according to the invention.
  • fuel 301 are injected as part of a pre-injection, which takes place in advance of the main injection.
  • the smallest quantity injection is preferably carried out in a purely electrical mode, wherein the deflection of the valve needle is effected only by the direct drive.
  • the piezoelectric actuator is actuated single low ⁇ Lich, so that its low deflection does not lead to the activation of the servo valve.
  • the main injections may also be followed by so-called post-injections in order to increase the energy content of the exhaust gases for the exhaust gas aftertreatment. Since in a post-injection also only very small amounts of fuel are injected into the combustion chamber, it is sufficient in this case to open the injection valve only by means of direct drive.
  • the embodiments explained with reference to figures are merely preferred or exemplary Ausgestal ⁇ obligations of the invention. In addition to those described and illustrated embodiments, further embodiments are conceivable, which may include further modifications and combinations of characteristics.
  • the valve device disclosed herein in connection with fuel injection may also be used to deliver or portion other lubricating or non-lubricating fluids.

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Abstract

Es wird eine Ventilvorrichtung (100) zur Förderung einer Flüssigkeit mit einem Gehäuse (110), einer in einer Ventilnadelkammer (113) des Gehäuses (110) aus-lenkbar angeordneten Ventilnadel (120) und einer Antriebseinrichtung (200) für die Ventilnadel (120) beschrieben, wobei die Antriebseinrichtung (200) eine elektrische Antriebskomponente (210) umfasst, das eine direkte Auslenkung der Ventilnadel (120) bewirkt. Die Antriebseinrichtung (200) umfasst ferner eine hydraulische Antriebskomponente (220), das zusätzlich zur elektrischen Antriebskomponente (220) aktivierbar ist und eine ballistische Auslenkung der Ventilnadel (120) bewirkt.

Description

Beschreibung
Einspritzventil mit Direkt- und Servoantrieb Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung zur Förderung von schmierenden und nicht schmierenden Flüssigkeiten, insbesondere für den Einsatz im Bereich der Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungsmotor. Die Ventilvorrichtung weist erfindungsgemäß eine zweistufige Antriebseinrichtung auf, die sowohl einem elektrischen Direktantrieb als auch einen hydraulischen Servoantrieb umfasst. Der Servoantrieb kann dabei zusätzlich zum Direktantrieb zugeschaltet werden, wenn ein größerer Ventilnadelhub benötigt wird. Stand der Technik
Ventilvorrichtungen werden zur Förderung bzw. Verteilung verschiedenster Flüssigkeiten verwendet. Solche Ventilvorrichtungen können beispielsweise als sogenannte Einspritzventile ausgebildet sein, bei denen die Öffnung einer Einspritzdüse sehr präzise mittels einer Ventilnadel gesteuert wird. Mi¬ thilfe eines modernen Einspritzventils lassen sich somit selbst kleinste Flüssigkeitsmengen genau portionieren. Diese Genauigkeit wird beispielsweise in Brennkraftmaschinen benö- tigt, wo Kraftstoff mithilfe entsprechender Kraftstoffinj ek- toren unter hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Die KraftstoffZuführung muss dabei in genau vorgegebenen Man- gen und zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen. Zur Konditionierung des Verbrennungsprozesses führt das Kraftstoffein- spritzventil eines modernen Verbrennungsmotors in der Regel Mehrfacheinspritzungen durch, wobei die verwendete Kraftstoffmenge je nach Einspritzphase variiert wird. So werden zur Voreinspritzung typischerweise relativ kleine Kraftstoff¬ mengen injiziert, während bei der Haupteinspritzung relativ große Kraftstoffmengen in die Brennkammer befördert werden.
Die Bandbreite der in den einzelnen Phasen des Kraftstoffeinspritzung in einem Verbrennungsmotor benötigten Kraftstoff- menge, stellt ein wichtiges Kriterium bei der Konstruktion eines geeigneten Einspritzventils dar. So muss beispielsweise die zur Bewegung der Ventilnadel vorgesehene Antriebseinrichtung ausreichend groß ausgelegt sein, um den während der Haupteinspritzung benötigten maximalen Nadelhub zu gewährleisten. Andererseits muss sich die Ventilnadel auch ausrei¬ chend schnell und präzise steuern lassen, um eine optimale Einspritzung kleiner bzw. kleinster Kraftstoffmengen während der Voreinspritzung zu ermöglichen.
Eine typischerweise zur Auslenkung der Ventilnadel verwendete Antriebseinrichtung verfügt daher über ein elektrisches Antriebmittel, wie z. B. ein piezoelektrisches oder elektromag¬ netisches Stellglied. Bei diesem Antriebskonzept agiert das Stellglied als Direktantrieb, wobei die Ventilnadel aufgrund eines mechanischen Kontakts mit Bauteilen des Antriebs unmit¬ telbar der Auslenkung bzw. Ausdehnung des Stellglieds folgend aus ihrer Schließposition ausgelenkt wird. Daher ermöglicht der Direktantrieb besonders schnelle Schaltzeiten und exakte Regelbarkeit, insbesondere in Kombination mit einer Closed-
Loop-Regelung . Allerdings ist der damit realisierbare Schalt¬ weg auf die maximalen Auslenkung des Stellglieds beschränkt. Bei einem Piezostack sind dies beispielsweise nur etwa 60 bis 70 Mikrometer. Ein derart kleiner Nadelhub ist jedoch ungüns- tig, um größere Flüssigkeitsmengen zu fördern. Zur Überwindung dieses Nachteils ist ein aufwendigerer Aufbau des Di¬ rektantriebs notwendig, was sich unter anderem auch in höhe¬ ren Herstellungskosten niederschlägt. Um einen höheren Ventilnadelhub zu realisieren, können auch hydraulische Antriebseinrichtungen verwendet werden. Bei die¬ sem Antriebskonzept wird unter Ausnutzung unterschiedlicher Druckverhältnisse innerhalb der Ventilvorrichtung eine die Auslenkung der Ventilnadel bewirkende hydraulische Kraft er- zeugt. Bei dem beispielsweise mittels eines Servoventils an¬ gesteuerten hydraulischen Antrieb erfolgt die Auslenkung der Ventilnadel im ballistischen Flug, wodurch ein im Vergleich zum elektrischen Direktantrieb deutlich größerer Nadelhub er- möglicht wird. Allerdings sind aufgrund des indirekten Ans¬ prechens der Ventilnadel auf die Steuerung die Möglichkeiten einer Closed-Loop-Regelung und damit auch die präzise Einspritzung kleinster Flüssigkeitsmengen bei diesem Antriebs- konzept deutlich eingeschränkt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Antriebskonzept für eine Ventilvorrichtung zur Förderung von Flüssigkeiten bereitzustellen, das sowohl eine präzise Verteilung kleiner Flüssigkeitsmengen als auch einen höheren Ventilnadelhub zur Förderung größerer Flüssigkeitsmengen ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch eine Ventilvorrichtung gemäß Anspruch 1 ge- löst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit weist ein Gehäuse, eine in einer Ventilnadelkam- mer des Gehäuses auslenkbar angeordnete Ventilnadel sowie ei¬ ne Antriebseinrichtung für die Ventilnadel auf. Dabei umfasst die Antriebseinrichtung eine elektrische Antriebskomponente, die eine direkte Auslenkung der Ventilnadel bewirkt sowie ei¬ ne hydraulische Antriebskomponente, die zusätzlich zur elekt- rischen Antriebskomponente aktivierbar ist und eine ballisti¬ sche Auslenkung der Ventilnadel bewirkt. Durch die Kombinati¬ on der beiden Antriebskonzepte in der Antriebeinrichtung können die Vorteile beider Antriebe genutzt werden. So erlaubt die als Direktantrieb wirkende elektrische Antriebskomponente eine sehr genaue Ventilnadelsteuerung bei der Einspritzung kleiner Flüssigkeitsmengen. Auch lässt sich der Direktantrieb aufgrund des schnellen Ansprechverhaltens der Ventilnadel mit einer Closed-Loop Regelung kombinieren, wodurch die Präzision bei der Ventilnadelsteuerung gesteigert werden kann. Hingegen kann mithilfe der hydraulischen Antriebskomponente eine rela¬ tiv große Auslenkung der Ventilnadel und somit die Einsprit¬ zung größerer Flüssigkeitsmengen, beispielsweise während der Haupteinspritzphase, erreicht werden. Die Kombination der beiden Antriebskonzepte geht auch mit einer Reduktion der Herstellungskosten einher, da lediglich ein kürzerer Piezos- tack benötigt wird. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Antriebeinrichtung ausgebildet ist, die Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente durch die elektrische Antriebskomponente zu bewirken. Hierdurch wird eine automati¬ sche Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente ermög- licht. Da in diesem Fall die beiden Betriebsarten, nämlich "reiner elektrischer Betrieb" und "gemischter Betrieb", lediglich mithilfe der zur Steuerung der elektrischen Antriebskomponente verwendeten Mittel gesteuert werden, wird damit ein vereinfachter und daher auch kostengünstiger Aufbau er- möglicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die hydraulische Antriebskomponente als Servoventil ausgebildet ist, welches die Ventilnadelkammer mit einem Niederdruckkanal verbindet, wobei das Servoventil ein Ventilelement umfasst, das durch die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente aus einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung übergeführt wird. Derartige Servoventile erlauben einen rela¬ tiv großen Nadelhub. Die direkte Aktivierung des Ventilele- ments durch die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente erlaubt die Realisierung einer besonders einfachen automa¬ tischen Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente erst nach Überwindung einer Aktivierungsschwelle zu einer Aktivierung der hydrauli¬ schen Antriebskomponente führt, wobei die Aktivierungsschwel¬ le durch eine Toleranz in der mechanischen Übertragungsstrecke von der elektrischen Antriebskomponente zum Ventilelement vorgegeben ist. Durch Bestimmen der Toleranz lässt sich auf eine besonders einfache Weise der maximale Nadelhub festle¬ gen, der mithilfe der elektrischen Abtriebskomponente ohne Zuschaltung des hydraulischen Antriebs bewirkt werden kann. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mechanische Übertragungsstrecke von der elektrischen Ant¬ riebskomponente zum Ventilelement wenigstens ein mechanisches Übertragungselement umfasst, mit Hilfe dessen die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente auf das Ventilelement der hydraulischen Antriebskomponente übertragen wird. Der Einsatz mechanischer Übertragungselemente erlaubt eine Optimierung der Übertragung der Bewegung des elektrischen Antriebs auf das Ventilelement und somit das Öffnungsverhalten des Ventil¬ elements. Darüber hinaus können bei mechanischen Übertra¬ gungselementen besonders leicht Toleranzen realisiert werden, die eine Aktivierung der hydraulischen Komponente erst nach Überwindung eines vorgegebenen Nadelhubs er-möglichen .
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Übertra¬ gungselement stiftförmig ausgebildet ist. Dies erlaubt eine direkte und daher einfache Übertragung die Bewegung des elektrischen Antriebs auf das Ventilelement.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die mechanische Übertragungsstrecke ein hebeiförmiges Übertragungselement um¬ fasst, welches durch das stiftförmige Übertragungselement be¬ tätigt wird. Mithilfe des hebeiförmigen Übertragungselements lässt sich die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente beliebig in eine Bewegung zur Aktivierung des Ventilelements umsetzen. Insbesondere lässt sich die Bewegungsrichtung umkehren, so dass das Ventilelement entgegen der Auslenkrichtung der elektrischen Antriebskomponente geöffnet wird.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass zwischen den beiden Übertragungselementen eine Toleranz vorgesehen ist, die eine Auslenkung der Ventilnadel um eine vorgegebene Stre¬ cke ermöglicht, ohne dass eine Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente erfolgt. Hierdurch lässt sich auf eine einfache Weise eine automatische Aktivierung der hydrauli¬ schen Antriebskomponente realisieren, die erst ab einem vor- gegebenen Nadelhub, d.h. erst nach Überwindung einer Aktivierungsschwelle erfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die elektrische Antriebskomponente ein Piezoelement , welches beim Anlegen ei¬ ner elektrischen Spannung die gewünschte Auslenkung bewirkt. Solche Piezoelemente weisen ein schnelles Ansprechverhalten auf, weshalb sie insbesondere in Kombination mit einer geeig¬ neten Regelung optimal zur präzisen Steuerung der Ventilnadel einsetzbar sind. Dies ist insbesondere bei der Einspritzung kleinster Flüssigkeitsmengen vom Vorteil. Ferner können Piezoelemente relativ kostengünstig hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die elektrische Antriebskomponente mittels einer Closed-Loop-
Regelung betrieben wird. Hierdurch lässt sich die Präzision der Ventilnadelsteuerung deutlich erhöhen.
Schließlich sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass die Ventilvorrichtung als ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors ausge¬ bildet ist. Aufgrund der kombinierten Eigenschaften der beiden Antriebskonzepte ist die erfindungsgemäße Ventilvorrich¬ tung besonders geeignet für die Voreinspritzung und die
Haupteinspritzung in einem Verbrennungsmotor. Bei einem Einspritzventil ermöglicht der gegenüber dem rein elektrischen Antrieb vergrößerte Nadelhub des kombinierten Antriebs ferner einen günstigeren Düsennadelwinkel , was sich positiv auf die Verbrennungsparameter auswirken kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher beschreiben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine als Einspritzventil ausgebildete Ventilvorrich- tung mit einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung;
Fig. 2 die Antriebseinrichtung der Einspritzventilvorrichtung aus Figur 1 in Ruhestellung; Fig. 3 die Antriebseinrichtung aus Figur 2 mit einer mittels Direktantrieb geringfügig ausgelenkten Ventilnadel, Fig. 4 die Antriebseinrichtung aus den Figuren 2 und 3 im Servobetrieb mit einer Ventilnadel im ballistischen Flug,
Fig. 5 ein Zeitdiagramm, in dem beispielhaft ein Einspritzvorgang des erfindungsgemäßen Einspritzventils mit Vor- und Haupteinspritzung dargestellt ist.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 100 zur Förderung schmierender und nicht schmierender Flüssigkeiten. Bei der hier dargestellten Ventilvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Kraftstoffeinspritzventil für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs. Das Einspritzventil 100 umfasst ein Gehäuse 110. Das in der Regel mehrteilig auf¬ gebaute Gehäuse umfasst einen oberen und einen unteren Gehäu¬ seteil 111, 112, wobei die Aufteilung des Gehäuses je nach Anwendung variieren kann. Die Ventilvorrichtung 100 umfasst ferner eine in einer Ventilnadelkammer 113 im Inneren des Gehäuses 110 angeordnete Ventilnadel 120. Die Ventilnadel 120 steuert eine im unteren Teil des Gehäuses 110 vorgesehene Einspritzdüse (hier nicht gezeigt) , durch die unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Brennraum abgegeben wird.
Die Zuführung des Kraftstoffs erfolgt dabei über einen im Ge¬ häuse 110 verlaufenden Hochdruckkanal 116.
Die Ventilnadel 120 ist in axialer Richtung beweglich gela- gert und umfasst typischerweise einen schaftförmigen Ab¬ schnitt 121, an dessen unteren Ende eine als Verschlussele¬ ment für die Öffnung der Einspritzdüse dienende Ventilnadel¬ spitze 125 ausgebildet ist. Um sicherzustellen, dass das Ein¬ spritzventil vollständig schließt, wird die Ventilnadel 120 typischerweise mittels Federkraft in ihrem Ventilsitz gehal¬ ten. Hierzu ist im vorliegenden Beispiel eine spiralförmige Druckfeder 130 vorgesehen, die in einer durch einen Teil der Ventilnadelkammer 113 gebildeten Federkammer 150 untergeb- rächt ist. Die an einem kragenförmigen Ventilnadelteil 124 ansetzende Druckfeder 130 übt auf die Ventilnadel 120 einen nach unten gerichteten Druck aus. Um das Einspritzventil zu öffnen, wird die Ventilnadel 120 daher gegen die Federkraft der Druckfeder 130 nach oben ausgelenkt. Hierzu ist eine Ant¬ riebseinrichtung 200 vorgesehen, die vorzugsweise im Gehäuse 110 der Ventilvorrichtung 100 integriert ist. Die Antriebs¬ einrichtung 200 umfasst eine elektrische Antriebskomponente 210, das als Direktantrieb dient. Hierzu kommt grundsätzlich jeder geeignete elektrisch betriebene Aktor in Frage, der mi- thilfe elektrischer Signale, wie z. B. Strom- oder Spannungs¬ pulse, gesteuert wird. So werden in Einspritzventilen häufig aus piezoelektrischen Materialien bestehende Aktoren verwendet, bei denen eine Änderung der daran anliegenden elektri- sehen Spannung zu einer Ausdehnung bzw. Kontraktion führt.
Solche Piezoaktoren werden typischerweise als sogenannte Pie- zostacks gefertigt, die aus mehreren übereinander angeordne¬ ten piezoelektrischen Schichten gebildet sind. Ferner werden auch elektromagnetische Aktoren verwendet, bei dem die ge- wünschte Auslenkung durch Anlegen entsprechender Strompulse bewirkt wird.
Im vorliegenden Fall wird die elektrische Antriebskomponente durch einen Piezostack 210 gebildet. Der in einer inneren Ge- häusekammer untergebrachte Piezostack 210 ist zylinderförmig ausgebildet und weist eine zentrale Bohrung 211 zur Aufnahme des schaftförmigen Teils 121 der Ventilnadel 120 auf. Wie in der Figur 1 gezeigt ist, füllt der Piezostack 210 die innere Gehäusekammer nicht vollständig aus, wodurch oberhalb des Piezostacks 210 eine Druckkammer 114 zur Aufnahme einer Tel¬ lerstruktur 121 der Ventilnadel 120 gebildet wird. Die Tel¬ lerstruktur 121 bildet dabei den oberen Abschluss der Ventil¬ nadel 120 und ist mit dem schaftförmigen Ventilnadelteil 121 verbunden, der innerhalb der Bohrung 211 verläuft. Auf dem zylinderförmigen Piezostack 210 liegt ein scheibenförmiges Ringelement 212 auf, das zur Abstützung des Ventilnadeltel¬ lers 121 dient. Beim Ausdehnen des Piezostacks 210 wird der Ventilnadelteller 122 von dem darunter angeordneten Ringele- ment 212 mitgenommen, wodurch die Ventilnadel 120 entgegen der Kraft der Druckfeder 130 ausgelenkt und die Düsenöffnung freigegeben wird. Aufgrund des mechanischen Kontakts zwischen Piezostack 210, Ringelement 212 und Ventilnadelteller 122 während der Auslenkung reagiert die Ventilnadel 120 dabei un¬ mittelbar auf die Bewegung des Piezostacks 210. Damit ist in¬ sbesondere in Kombination mit einer Closed-Loop-Regelung eine sehr schnelle und präzise Steuerung der Ventilnadel 120 mög¬ lich. Allerdings ist die Auslenkung der Ventilnadel 120 im reinen Direktbetrieb durch die maximale Auslenkung des Pie¬ zostacks 210 begrenzt.
Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung 200 weist daher zu¬ sätzlich auch einen hydraulischen Antrieb 220 auf, der im vorliegenden Fall als ein die Druckkammer 114 mit einem Niederdruckkanal 117 verbindendes Servoventil ausgebildet ist. Das Servoventil 220 umfasst dabei ein konisches Ventilelement 221, das eine ebenfalls konisch geformte Ventilöffnung im oberen Deckenelement der Druckkammer 114 verschließt. Zum Öffnen des Servoventils 220 dient ein in einer Seitenkammer 118 des Niederdruckkanals 117 angeordnetes bogenförmiges He¬ belelement 223, das an dem Ventilelement 221 ansetzt und mit¬ tels eines stiftförmigen Übertragungselements 213 betätigt wird. Das stiftförmigen Übertragungselement 213 ist in einer Bohrung des oberen Deckenelements der Druckkammer 114 geführt angeordnet und liegt mit seinem unteren Ende auf dem Ringele¬ ment 212 auf. Hierzu ist im tellerförmigen Abschlusselement 122 der Ventilnadel 120 eine entsprechende Öffnung mit genü¬ gend Toleranz zum stiftförmigen Übertragungselement 213 vor- gesehen. Die beiden Übertragungselemente 213, 223 sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie sich im geschlossenem Zustand der Ventilvorrichtung 200 nicht berühren und die Betätigung des bogenförmigen Übertragungselements 223 somit erst nach Überwindung einer durch ihren Abstand 214 vorgege- benen Strecke erfolgt. Hierdurch wird sichergestellt, dass die hydraulische Antriebskomponente 220 erst nach Überwindung einer Aktivierungsschwelle, d. h. erst ab einer größeren Aus¬ lenkung der Ventilnadel 120 mittels des Piezostacks 210, ak- tiviert wird. Mithilfe des zwischen den beiden Übertragungs¬ elementen 213, 223 gebildeten Spalts 214 ist somit eine Akti¬ vierungsschwelle der hydraulischen Antriebskomponente 220 realisiert. Die Spaltbreite bestimmt dabei den maximalen Ven- tilnadelhub, der ohne Zuschaltung des hydraulischen Antriebs 220 erfolgen kann. Eine entsprechende Aktivierungsschwelle kann jedoch auch mittels entsprechender Toleranzen an anderen Punkten der die beiden Übertragungselemente 213, 223 umfas¬ senden mechanischen Übertragungsstrecke von der elektrischen Antriebskomponente 210 zum Ventilelement 221 realisiert wer¬ den .
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung näher beschrieben. Dazu zeigt die Figur 2 einen Ausschnitt der Antriebseinrichtung 200 aus der Figur 1. Um sicherzustellen, dass die Ventilnadel die Düsenöffnung im geschlossenen Zustand des Einspritzventils dicht verschließt, liegt das tellerförmige Abschlusselement 122 der Ventilnadel 120 nicht direkt auf dem Ringelement 212 auf. Vielmehr werden beide Elemente durch einen geringen Spalt voneinander getrennt, durch den ein so genannter Leerhub definiert wird. Erst nach Überwindung des Leerhubs kommen die beiden Elemente miteinander in Kontakt (hier nicht gezeigt) . Die Figur 2 stellt die Ausgangssituation dar, in der die Ventilnadel 120 mit der Kraft der Druckfeder 130 in den Ventilsitz gepresst wird und das Einspritzdüse folglich geschlossen hält. Da die gesamte Ventilnadelkammer 113 hydraulisch mit dem Hochdruckkanal 116 kommuniziert, herrscht der hohe Kraftstoffdruck zu diesem Zeitpunkt auch in der Druckkammer 114 vor. Da auch das Servoventil 220 noch geschlossen ist, sind die Druckverhält¬ nisse in der gesamten Druckkammer 114, d.h., oberhalb und unterhalb des tellerförmigen Abschlusselements 122 der Ventil¬ nadel 120, im Wesentlichen ausgeglichen. Durch Ansteuern des Direktantriebs, was im vorliegenden Beispiel durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung am Piezostack erfolgt, dehnt sich der Piezoaktor 210 in Richtung des Ventilnadeltellers 122 aus. Nach Überwindung des Leerhubs wird der Ventilnadelteller 122 vom Ringelement 212 mitgenommen, was zu einer Auslenkung der Ventilnadel 120 aus ihrer Ruhelage führt. Eine entsprechende Situation ist in der Figur 3 dargestellt. Dabei ist ersichtlich, dass eine geringe Auslenkung der Ventilnadel 120 die Spaltbreite 214 zwischen den beiden Übertragungselementen 213, 223 reduziert ohne dass das Servoventil 220 aktiviert wird. Daher kann durch Anlegen einer entsprechend kleinen Spannung am Piezostack 210 eine präzise Öffnung des Einspritzventils bewirkt werden, um bei- spielsweise während der Voreinspritzung eine kleinste Kraft- stoffmenge in den Brennraum einzuspritzen.
Wird am Direktantrieb 210 hingegen eine ausreichend große Spannung angelegt, so kommt es durch eine entsprechend große Ausdehnung des Piezostacks zum Kontakt der beiden Übertra¬ gungselemente 213, 223 und anschließend zur Aktivierung des Servoventils 220, wobei das kegelförmige Ventilelement 221 mittels des Hebels 223 aus seinem Ventilsitz gehoben wird. Diese Situation ist in Figur 4 gezeigt. Durch das Öffnen des Servoventils 220 kommt es im oberen Teil der Druckkammer 114 zu einem schlagartigen Druckabfall, da hier die unter Druck stehende Flüssigkeit durch das Servoventil 220 und den Nie¬ derdruckkanal 117 schneller entweichen als über die Verbindung zum Hochdruckkanal 116 nachfließen kann. Da im unteren Teil der Druckkammer 114 zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen noch Hochdruck herrscht, verursacht der plötzliche Druckab¬ fall im oberen Teil der Druckkammer 114 eine auf den Ventilnadelteller 122 und folglich auf die gesamte Ventilnadel 120 in Richtung des Druckgefälles wirkende Kraft. Bei der hier- durch initiierten zweiten Antriebsphase der Ventilnadel 120 hebt der Ventilnadelteller 122 vom Ringelement 212 ab und legt zusammen mit der gesamten Ventilnadel 120 eine von den jeweiligen hydraulischen Parametern abhängige Strecke in ballistischem Flug zurück. Die deutlich größere Auslenkung der Ventilnadel 120 während der ballistischen Flugphase erzeugt eine entsprechend große Öffnung der Einspritzdüse, wodurch eine größere Flüssigkeitsmenge befördert wird. Deshalb eignet sich dieser hydraulisch unterstützte Betriebsmodus besonders gut zur Kraftstoffeinspritzung während der Haupteinspritzpha¬ se eines Verbrennungsmotors.
Sobald sich die Druckverhältnisse innerhalb der Druckkammer 114 durch Nachfließen von Flüssigkeit im Wesentlichen ausgeglichen haben, wird die Ventilnadel durch die Druckfeder 130 zurück Richtung Ventilöffnung gedrückt und das Einspritzventil wieder geschlossen. Dieser Prozess kann durch vorzeitiges Schließen des Servoventils 220 beeinflusst werden, was durch eine entsprechende Kontraktion des Piezostacks 210 bewirkt werden kann. Dabei wird das Ventilelement 221 von der zwi¬ schen Druckkammer 114 und Niederdruckkanal 117 herrschenden Druckdifferenz wieder in seinen Ventilsitz gepresst, wodurch der Druckabfall über den Niederdruckkanal 117 schlagartig be- endet wird. Der Schließvorgang kann dabei mittels eines Fe¬ derelements unterstützt werden, die das Ventilelement 221 in seinen Ventilsitz drückt (hier nicht gezeigt) .
Figur 5 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der er- findungsgemäßen Ventilvorrichtung 100, bei der die Ventilnadel 120 ebenfalls hydraulisch unterstützt in einen ballisti¬ schen Flug übergeführt wird, sobald die Auslenkung der Ven¬ tilnadel 120 einen vorgegebenen Nadelhub überschreitet. Dabei ist die elektrische Antriebskomponente 210 im Wesentlichen analog zu der entsprechenden Antriebskomponente aus den Figu¬ ren 1 bis 4 ausgebildet. Im Unterschied zu den in den vorher¬ gehenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Ser- voventil des hier gezeigten Einspritzventils 200 jedoch so angeordnet, dass die Öffnung des Ventilelements 221 nunmehr in Ausdehnungsrichtung des Piezostacks 210 erfolgt. Hierdurch kann die Auslenkung des Piezoelements 210 über ein einfaches stiftförmiges Übertragungselement 224 direkt auf das Ventil¬ element 221 übertragen werden. Wie in der Figur 5 gezeigt ist, sitzt das Übertragungselement 224 dabei nicht direkt auf dem Ringelement 214 auf. Der zwischen den beiden Elementen
212, 224 vorgesehene Spalt 214 bestimmt entsprechend die Ak¬ tivierungsschwelle, also die maximale Strecke, um welche die Ventilnadel 120 lediglich mittels des Direktantriebs 210 ohne die Unterstützung durch die hydraulische Antriebskomponente 220 ausgelenkt werden kann. Beim Erreichen der Aktivierungsschwelle kommt es zum Kontakt des Ringelements 212 mit dem Übertragungselement 224, was bei einer weiteren Auslenkung des Piezostacks 210 zum Abheben des Ventilelements 221 aus seinem Ventilsitz führt. Hierdurch wird durch den Kanal 119 und das Servoventil 220 ähnlich dem ersten Ausführungsbei¬ spiel eine hydraulische Verbindung der Druckkammer 114 mit dem Niederdruckkanal 117 hergestellt.
Die Figur 6 zeigt einen möglichen Einspritzvorgang, bei dem Kraftstoff mithilfe des erfindungsgemäßen Einspritzventils in mehreren Einzelspritzungen den Brennraum eines Verbrennungsmotors injiziert wird. Zur Konditionierung des Verbrennungs- motors werden dabei im Rahmen einer Voreinspritzung, die im Vorfeld der Haupteinspritzung erfolgt, bereits kleine bzw. kleinste Kraftstoffmengen 301 eingespritzt. Die Kleinstmenge- neinspritzung erfolgt dabei vorzugsweise im rein elektrischen Berieb, wobei die Auslenkung der Ventilnadel lediglich durch den Direktantrieb erfolgt. Hierzu wird der Piezoaktor ledig¬ lich gering angesteuert, so dass seine geringe Auslenkung noch nicht zur Aktivierung des Servoventils führt. Hingegen wird am Piezoaktor während der darauf folgenden Haupteinspritzphase eine relativ starke elektrische Spannung ange- legt, um durch die entsprechend große Auslenkung des Piezoak- tors eine Aktivierung des Servoventils zu erreichen. Nach Aktivierung des Servoventils erreicht die Ventilnadel im bal¬ listischen Flug einen größeren Nadelhub, was sich in deutlich größeren Einspritzmengen 302 bemerkbar macht.
Den Haupteinspritzungen können ferner auch sogenannte Nacheinspritzungen folgen, um den Energiegehalt der Abgase für die Abgasnachbehandlung zu erhöhen. Da bei einer Nacheinspritzung ebenfalls nur sehr kleine Kraftstoffmengen in den Brennraum eingespritzt werden, genügt es in diesem Fall, das Einspritzventil lediglich mittels Direktantrieb zu öffnen. Die anhand der Figuren erläuterten Ausführungsformen stellen lediglich bevorzugte beziehungsweise beispielhafte Ausgestal¬ tungen der Erfindung dar. Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen sowie Kombinationen von Merkmalen umfassen können. Insbesondere kann die hier im Zusammenhang mit Kraftstoffeinspritzung offenbarte Ventilvorrichtung auch zur Förderung oder Portionierung anderer schmierender oder nicht schmierender Flüssigkeiten verwendet werden .

Claims

Patentansprüche
1. Ventilvorrichtung (100) zur Förderung einer Flüssigkeit mit einem Gehäuse (110), einer in einer Ventilnadelkammer (113) des Gehäuses (110) auslenkbar angeordneten Ventil¬ nadel (120) und einer Antriebseinrichtung (200) für die Ventilnadel (120),
wobei die Antriebseinrichtung (200) eine elektrische Ant¬ riebskomponente (210) umfasst, die eine direkte Auslen- kung der Ventilnadel (120) bewirkt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Antriebseinrichtung (200) ferner eine hydrauli¬ sche Antriebskomponente (220) umfasst, die zusätzlich zur elektrischen Antriebskomponente (220) aktivierbar ist und eine ballistische Auslenkung der Ventilnadel (120) be¬ wirkt .
2. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das die Antriebeinrichtung (200) ausgebildet ist, die Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente (220) durch die elektrische Antriebskomponente (210) zu bewirken .
3. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die hydraulische Antriebskomponente (220) als Servo- ventil ausgebildet ist, das die Ventilnadelkammer (113) mit einem Niederdruckkanal (117) verbindet, wobei das Servoventil (220) ein Ventilelement (221) umfasst, das durch die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente (210) aus einer geschlossenen Stellung in eine geöffnete Stellung überführbar ist.
4. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
das die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente (210) erst nach Überwindung einer Aktivierungsschwelle zu einer Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente
(220) führt,
wobei die Aktivierungsschwelle durch eine Toleranz (214) in der mechanischen Übertragungsstrecke von der elektrischen Antriebskomponente (210) zum Ventilelement (221) vorgegeben ist.
5. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die mechanische Übertragungsstrecke von der elektri¬ schen Antriebskomponente (210) zum Ventilelement (221) wenigstens ein mechanisches Übertragungselement (213, 224, 232) umfasst, welches die Auslenkung der elektrischen Antriebskomponente (210) auf das Ventilelement
(221) der hydraulischen Antriebskomponente (220) überträgt .
6. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass das Übertragungselement (213, 224) stiftförmig aus¬ gebildet ist.
7. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die mechanische Übertragungsstrecke ein hebelförmi- ges Übertragungselement (223) umfasst, welches durch das stiftförmige Übertragungselement (224) betätigt wird.
8. Ventilvorrichtung (100) nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass zwischen den beiden Übertragungselementen (223, 224) eine Toleranz (214) vorgesehen ist, die eine Auslenkung der Ventilnadel (120) um eine vorgegebene Strecke ermög¬ licht, ohne dass eine Aktivierung der hydraulischen Antriebskomponente (220) erfolgt.
9. Ventilvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Antriebskomponente (210) ein Piezoe lement umfasst, welches beim Anlegen einer elektrischen Spannung die gewünschte Auslenkung bewirkt.
10. Ventilvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die elektrische Antriebskomponente (210) mittels ei ner Closed-Loop-Regelung betrieben wird.
11. Ventilvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Ventilvorrichtung (100) als ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9429119B2 (en) 2010-06-14 2016-08-30 Continental Automotive Gmbh Injection valve with direct and servo drive

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108274701A (zh) * 2017-12-19 2018-07-13 东莞市热恒注塑科技有限公司 一种方形小间距针阀式热流道系统
DE102021114302A1 (de) 2021-06-02 2022-12-08 Vermes Microdispensing GmbH Dosiersystem

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020013653A1 (en) * 1994-04-28 2002-01-31 Hitachi, Ltd. Control apparatus for drive system
WO2004076848A1 (de) * 2003-02-27 2004-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Ventil mit einem hebel, hebel und verfahren zur herstellung eines hebels
DE102005041994A1 (de) * 2005-09-05 2007-03-08 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied und zweistufiger Übersetzung
DE102006036444A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-04 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor
WO2008017538A1 (de) * 2006-08-07 2008-02-14 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor mit direkter nadelsteuerung und servoventil-unterstützung

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0692743B2 (ja) 1985-04-01 1994-11-16 日本電装株式会社 流体制御用電磁弁
DK170121B1 (da) 1993-06-04 1995-05-29 Man B & W Diesel Gmbh Gliderventil og stor totakts forbrændingsmotor
DE19742073A1 (de) 1997-09-24 1999-03-25 Bosch Gmbh Robert Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen
US6595436B2 (en) 2001-05-08 2003-07-22 Cummins Engine Company, Inc. Proportional needle control injector
DE102007026946B4 (de) * 2007-06-12 2009-06-04 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Einspritzventils, Computerprogramm und Einspritzventil
JP4591555B2 (ja) * 2008-06-12 2010-12-01 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料噴射ノズルおよびそれを用いた燃料噴射制御装置
DE102008042136A1 (de) * 2008-09-16 2010-03-18 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor mit mechanischer Übersetzung
DE102010023698A1 (de) 2010-06-14 2011-12-15 Continental Automotive Gmbh Einspritzventil mit Direkt- und Servoantrieb

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020013653A1 (en) * 1994-04-28 2002-01-31 Hitachi, Ltd. Control apparatus for drive system
WO2004076848A1 (de) * 2003-02-27 2004-09-10 Siemens Aktiengesellschaft Ventil mit einem hebel, hebel und verfahren zur herstellung eines hebels
DE102005041994A1 (de) * 2005-09-05 2007-03-08 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor mit direkt betätigbarem Einspritzventilglied und zweistufiger Übersetzung
DE102006036444A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-04 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor
WO2008017538A1 (de) * 2006-08-07 2008-02-14 Robert Bosch Gmbh Kraftstoffinjektor mit direkter nadelsteuerung und servoventil-unterstützung

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9429119B2 (en) 2010-06-14 2016-08-30 Continental Automotive Gmbh Injection valve with direct and servo drive

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