WO2005026528A1 - Hydraulisches kompensationselement - Google Patents

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WO2005026528A1
WO2005026528A1 PCT/EP2004/052134 EP2004052134W WO2005026528A1 WO 2005026528 A1 WO2005026528 A1 WO 2005026528A1 EP 2004052134 W EP2004052134 W EP 2004052134W WO 2005026528 A1 WO2005026528 A1 WO 2005026528A1
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housing
compensation element
piston
hydraulic
hydraulic compensation
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Georg Bachmaier
Bernhard Fischer
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Tim Schwebel
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Siemens AG
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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Definitions

  • the invention relates to a hydraulic compensation element.
  • piezo actuator piezoelectric multilayer actuator
  • Conventional methods for compensating the temperature-related change in length of the piezo actuator using suitable material combinations pose serious stability and manufacturing problems.
  • the elongation ratio of the piezo actuator that can be achieved due to the inverse piezoelectric effect in high-performance ceramics due to the application of a maximum field strength of approx. 2KV / mm permissible for continuous operation is only 1.2-1.4 ⁇ m elongation per 1 mm length of the piezo actuator.
  • the inverse piezoelectric effect leads to an elongation of maximum 56 ⁇ m. So if there is only a minimal relative deviation in the effective temperature expansion coefficient of approx.
  • the complex manufacture of the piezo actuator in such narrow tolerances as described above that its thermal expansion remains in a sufficiently narrow tolerance range is practically not feasible as a component with a domain structure and hysteresis, the temperature expansion coefficient depends strongly on the state of polarization and the mechanical and electrical load history of the piezo actuator.
  • the temperature dependence of the length of the piezo actuator is non-linear.
  • the temperature expansion coefficient can assume values in the range from -5 * 10 "6 1 / K to + 7 * 10 " 6 1 / K for the same piezo actuator.
  • a metering device which can ensure both a length compensation and a stiff power transmission.
  • the slow length compensation takes place through a long-lasting overpressure in a hydraulic chamber (temperature expansion) which lies between a piston connected to a piezo actuator and a fixed housing part.
  • the overpressure leads to hydraulic compensation via a fit which leads from the hydraulic chamber to an actuator space formed around the piezo actuator.
  • the present invention is based on the object of specifying a device which is stiff in comparison to short-term application of force with a small space requirement and achieves a length compensation of an element acting on said device.
  • a hydraulically closed hydraulic compensation element which can be filled with a fluid and which has the following further features: a hollow-cylindrical housing with an interior which has at least two different transverse axial diameters and the inner wall of the housing has at least one axially pressure-effective surface, a closable filling bore leading into the interior of the housing and a piston which is axially displaceably received in the housing and has - at least one axially pressure-effective surface which is opposite the axially pressure-effective surface of the housing, an outer contour which is adapted to the inner wall of the housing in such a way that partial clearance fits with a fluid-throttling effect are formed between the piston and the housing, at least one hydraulic chamber which is located between the at least one axially pressure-effective surface of the Piston and the at least one axially pressure-effective surface of the housing and is connected on both sides to the clearance fits, elastic membranes which are attached to the housing such that Speic Hervolumina are formed between the membranes and the housing, wherein at least one elastic membrane connect
  • the hydraulic compensation element achieves a high level of rigidity when subjected to force.
  • the elastic diaphragms simultaneously compensate for the length of an element acting on the hydraulic compensation element and absorb a thermal change in volume of the fluid in the hydraulic compensation element.
  • Hydraulicically closed is understood to mean that the hydraulic compensation element with an outside of the hydraulic compensation element located hydraulic system is not hydraulically connected.
  • the hydraulic compensation element can therefore advantageously be manufactured and tested as a modular unit.
  • axial is understood to mean the axis of the housing, which runs through its two end faces.
  • Axial is also understood to mean the direction of the force effects and transmissions of the hydraulic compensation element.
  • axially is also understood to mean “essentially axially”.
  • the hydraulic compensation element is preferably used in an injector and / or in a common rail injector.
  • FIG. 1 shows a first, simple design of the hydraulic compensation element
  • FIG. 2 shows a development of the hydraulic compensation element in a side and cross-sectional view, in which the housing has an axial bore which leads to a hydraulic chamber via a check valve,
  • Figure 3 is a development of the hydraulic compensation element in a side and cross-sectional view in which the piston parallel to the housing and Piston axis has running bores which are connected to the hydraulic chamber via a check valve,
  • FIG. 4 shows a further development of the hydraulic compensation element in which the filling bore leads to a storage volume
  • FIG. 5 shows a development of the hydraulic compensation element in which the housing is extended by a sleeve and a second hydraulic chamber is formed between the housing and the piston
  • FIGS. 3 and 5 shows a development of the hydraulic compensation element consisting of a combination of FIGS. 3 and 5
  • FIG. 7 shows the functioning of the hydraulic compensation element according to FIG. 6,
  • FIGS. 3 and 5 shows a development of the hydraulic compensation element consisting of a combination of FIGS. 3 and 5, the filling bore opening into an axial bore of the housing,
  • FIG. 9 shows a development of the hydraulic compensation element in which the housing expanded by a sleeve according to FIG. 5 has axial through-bores
  • FIG. 11 shows a development of the hydraulic compensation element in which the housing is extended by a sleeve. tert, which has a smaller outer diameter compared to the sleeve according to FIGS. 5 to 10,
  • Figure 12 is a further development of the hydraulic compensation element with an additional membrane
  • FIG. 13 shows a further development of the hydraulic compensation element consisting of a combination of FIGS. 5 and 12
  • FIG. 1 shows how the hydraulic compensation element 1 with the exception of a filling hole 11 is constructed rotationally symmetrical.
  • the hydraulic compensation element 1 consists of a hollow cylindrical housing 2, a piston 3 slidably accommodated in the housing, elastic membranes 4, 5, which are each attached to the end faces S1 and S2 of the housing, storage volumes 8 and 10 which are between the membranes and the Housing are formed, a hydraulic chamber 9 and from the filling bore 11 and an associated closure element 12.
  • the end regions of the piston 3 can protrude from the end faces of the housing.
  • the hydraulic chamber 9 and the storage volumes 8 and 10 are filled with a fluid of selectable viscosity.
  • the piston 3 consists of a piston rod 3b and a region with an enlarged cross section 3a, which can also be referred to as a disk 3a.
  • the disk 3a has two surfaces 3a 'and 3a' ', each of which has a pressure-effective effect on the end faces of the housing.
  • the surfaces are preferably circular ring surfaces which are aligned essentially axially in order to achieve the axial pressure effectiveness.
  • the orientations of the surfaces do not necessarily have to run parallel to the piston axis, but can be at an angle to the piston axis as long as their axial pressure effects are guaranteed.
  • the piston 3 preferably has one Bore 13 through which electrical leads K can be passed.
  • the electrical feed lines can be used to control a piezo actuator in an injector.
  • the housing 2 has an inner space which has at least two different inner diameters.
  • the inner wall of the housing also has at least one axially pressure-effective surface 2a ⁇ , which lies opposite the surface 3a of the piston 3.
  • the surface 2a is also preferably an annular surface here.
  • a clearance is formed between the housing 2 and the piston 3, which is characterized by clearance fits 6, 7, the hydraulic chamber 9 and the storage volumes 8, 10.
  • the outer contour of the piston 3 is adapted to the shape of the inner wall of the housing 2, but the above-mentioned latitude is always guaranteed in order to allow a relative displacement between the piston 3 and the housing 2.
  • the play in the area of the storage volumes 8 and 10 also allows the bulges and contraction of the membranes 4 and 5.
  • the clearance fits 6, 7 seal the hydraulic chamber 9 formed from the upper, axially pressure-effective surface 3a of the piston 3 and the opposite axially pressure-active surface 2a of the housing 2 from the storage volumes 8, 10.
  • a fluid exchange between the storage volumes 8, 10 and the hydraulic chamber 9 is only possible in a strongly throttled manner due to the clearance fits 6, 7.
  • the storage volumes 8, 10 are preferably hermetically sealed to the outside by means of the elastic membranes 4, 5, which are sealingly attached to the piston 3 and the housing 2 by means of welding points 4a, 5a.
  • the elastic membrane can therefore also be referred to as elastic seals.
  • the membranes 4 and 5 are preferably annular flat membranes.
  • the elastic membranes which are designed identically in terms of their pressure-loaded area and their force transmission into the piston 3 on the small diameter and in the housing 2 on their outer diameter, form together with the piston 3 and the housing 2 a hermetically sealed interior of the hydraulic compensation element 1, which is degassed with silicone oil suitable viscosity is filled bubble-free under pressure.
  • Such a structure is pressure balanced, ie no net force is created between the filling pressure
  • the interior of the hydraulic compensation element 1 differs from the aforementioned interior of the housing 2 in that the interior of the hydraulic compensation element in particular also includes the storage volumes 8 and 10.
  • the hydraulic compensation element 1 is evacuated by means of a suitable device in order to then be filled with degassed silicone oil via the filling bore 11 without bubbles and under a basic pressure.
  • a closure element 12 in the form of a ball or a dowel pin closes the filling hole 11 in a gas-tight manner.
  • the closure element 12 can additionally be secured by gluing or welding.
  • the filling hole 11 leads to the clearance fit 6, so that the parasitic fluid volume enclosed in the filling bore 11 (a basic principle of the hydraulic compensation element is to keep the enclosed volume as small as possible; therefore each extra volume is disruptive, i.e. parasitic), only throttled with the clearance fit 6 the hydraulic chamber 9 is connected.
  • a hydraulically unthrottled or only slightly throttled connection of the filling bore 11 to the hydraulic chamber 9 instead resulted in a loss of rigidity in the hydraulic chamber.
  • the width and length of the clearances 6.7, and thus their throttling effects, are preferably precisely matched to the viscosity of the fluid.
  • the use of silicone oil like Baysilone® M, for example, is preferred due to its significantly lower viscosity dependence on temperature compared to mineral oils in a relevant temperature range and the resulting simplified adjustment of the throttling effect of the clearance fits.
  • the function of the hydraulic compensation element 1 is based on the fact that, by means of the hydraulic chamber 9, very high forces can be transmitted briefly with a negligible relative displacement between the piston 3 and the housing 2, and the hydraulic chamber has a rigidity comparable to that of a solid body, while a slow one relative displacement between the piston 3 and the housing 2 takes place within certain limits, such as the height of the hydraulic chamber, almost without force (stiffness 0).
  • the hydraulic compensation element can therefore be used in switching valves that operate for short or periodic periods, the time of force transmission of the hydraulic compensation element 1 preferably being very short compared to the emptying time of the hydraulic chamber 9. In principle, no static forces can be transmitted between the piston 3 and the housing 2 via the hydraulic chamber 9.
  • FIG. la shows how the hydraulic compensation element is installed in a metering device D.
  • the metering device consists of an actuator unit A, which has a piezo actuator P, a tubular spring C, and two end caps E1 and E2.
  • the piezo actuator is preferably prestressed by means of the tubular spring connected at its two ends to the end caps E1, E2.
  • the end caps E1, E2 are preferably each connected to the piston 3 of the hydraulic compensation element and to a valve needle VN of a valve unit B.
  • the piston 3 of the hydraulic compensation element is preferably provided on its end faces S1 with a reset mechanism, for example with a spring FI, and on its second end face with the one end cap El of the actuator. connected ator unit.
  • the housing 2 of the hydraulic compensation element is connected to a fixed bearing L and is therefore not movable relative to the actuator unit. More specifically: the housing 2 is with an inner wall Dj. nn the housing of the metering device D, preferably by means of welds SN, connected. A force emanating from the piezo actuator is applied to the piston 3 of the end face S2, on which the storage volume 8 directly adjoins the disk 3a of the piston. The force from the piston 3 is transmitted to the housing 2 via the fluid of the hydraulic chamber 9, so that the hydraulic compensation element is rigid.
  • the end cap E2 presses stiffly on the valve needle VN of the valve unit B so that a sealing element or a valve can be opened.
  • the piston With slow expansions of the piezo actuator, as described in more detail below, the piston can be displaced relative to the housing without force.
  • the piston can be pushed back into a central position by means of the reset mechanism F.
  • the end cap E1 it is also possible for the end cap E1 to be firmly connected to the housing 2 on the end face S2 and for the piston 3 to be connected to the housing of the metering device.
  • the spring Fl would be connected to the front side S1 of the housing.
  • a reset mechanism in the form of a stop which is designed as a valve seat or plate VS is provided in the valve unit.
  • the valve needle VN could not be pulled up over the plane of the valve seat VS, so that the piston is forced to always return to a central position relative to the housing.
  • An alternative reset mechanism in the form of a stop can also be provided, which is implemented as a taper of the housing of the metering device.
  • the end cap E2 which is preferably formed with a plunger, and the stop can each have structures which mutually represent a key-lock principle in such a way that during the manufacture of the metering device end cap E2 is guided past the stop and after its subsequent rotation the end cap can no longer be passed past the stop or pulled. A maximum distance between a sealing element of the valve and the end cap would thus always be guaranteed.
  • the preferably soft spring F2 is also a resetting mechanism, the net force effect of which causes the piston 3 to be pulled back into a central position after one or more forces have been applied.
  • the volume flow of the fluid is directly proportional to ⁇ P, and thus to F, and inversely proportional to the throttling effect of the clearances 6.7.
  • a power transmission can therefore only be understood as brief if the drift path of the piston or the volume flow of the fluid is negligible during the period of the force acting on the piston 3 and the hydraulic chamber 9 can be regarded as almost tight during the force acting.
  • the hydraulic compensation element 1 is also able to transmit tensile forces between the housing 2 and the piston 3, but the tensile force is limited by the basic pressure P 0 prevailing in the hydraulic compensation element.
  • a tensile force is understood to mean a force which wants to move the piston and the housing axially away from one another and thus to increase the volume in the hydraulic chamber.
  • the fluid volume enclosed in the hydraulic compensation element 1 is optimized to a minimum. This is necessary because in the automotive-relevant temperature range of -40 to 140 ° C, the operating temperature at a filling temperature of 20 ° C fluctuates between -60 ° C and 120 ° C. If the amount of fluid filled in at 20 ° C. was at a certain volume V 0 , the volume of silicone oils, for example Baysilone, changes with a typical volume change coefficient of 1 * 10 "3 K _1 in a relevant temperature range by approx. -6% up to 12% based on the original volume V 0 .
  • the enclosed fluid volume at 20 ° C. is approximately 36 mm 3 (V 0 ) a fluctuation range from -2.2mm 3 at -40 ° C to 4.3mm 3 at + 140 ° C, again based on the original volume V o at a room temperature of 20 ° C.
  • the diaphragms 4, 5 are optimized in such a way that they oppose an axial relative displacement between the piston 3 and the housing 2 only by a negligible force due to the lowest possible mechanical rigidity. They nevertheless form a stop which prevents the piston 3 and the housing 2 from being pulled apart from a position defined by the welding positions 4a, 5a of the membranes. If, for example, the membrane 4 rests on the housing 2 and / or the lower membrane 5 on the piston, further pulling apart is prevented.
  • the diaphragms are largely flat, with a natural curve in the direction of the housing or the piston. They preferably have a sealing function and can therefore also be referred to as elastic seals.
  • the elasticity of the membranes 4, 5 can be increased with the same compressive strength by layering d, n membranes of the thickness d / n instead of a single membrane 4, 5 with a wall thickness.
  • the mechanical stresses near the welding line 4a or 5a can be kept within material-compatible limits.
  • the membranes 4, 5 By shaping the membranes 4, 5 by means of an embossed structure, such as, for example, a wave structure in a radial orientation or a wave structure in the circumferential direction, the membrane can be optimized in terms of its rigidity against axial displacements of the piston and also in terms of its storage capacity.
  • the membranes can also be optimized by means of a suitable profile in the membrane thickness, that is to say by varying the thickness, or seals can be designed, for example, in the form of bellows or metal bellows.
  • the membrane can also be designed in multiple layers.
  • Flexible seals can be designed as a combination of flat membranes with bellows. Plastic, rubber or fiber reinforced membranes are preferably used.
  • the material selection for the membrane is not limited to metallic materials. All types of sufficiently pressure-resistant and temperature-stable materials or composite materials can be used, e.g. elastomeric plastics or CFRP, GRP composite fiber materials.
  • the diaphragms 4, 5 can be designed asymmetrically with regard to their pressure-loaded surface and their introduction of force into the piston 3 at the small diameter and into the housing 2 at their large diameter.
  • the hydraulic compensation element 1 is no longer pressure-balanced, but instead develops a pressure-dependent force effect which can be advantageous for certain applications.
  • an internal pressure in the hydraulic fluid that changes with the temperature leads to a net force effect between the piston 3 and the housing 2 that is directly proportional to the pressure.
  • the proportionality factor can be set in a targeted manner.
  • the membranes In order to increase the bulging of the membranes, it is preferred to make them from a material with a different, preferably higher, temperature expansion coefficient than that of the housing and / or the piston. With increasing temperature the difference in the coefficients of thermal expansion is a greater increase in the diameter of the membranes 4, 5 compared to that of the housing 2 and / or the piston 3. The hermetically sealed fastening of the membranes to the housing 2 and the piston 3 creates a clamping condition on the inside and outside diameters of the membranes 4 ; 5. Therefore, the difference in the diameter increase between the housing 2 and the membrane can only be absorbed in an increased bulging of the membranes, which corresponds to a bimetal effect. If required, the membranes can also have different thermal expansion coefficients.
  • Adherence to the fit dimensions of the piston and cylinder is ensured in such a way that not only in the assembled state but also in the stationary and unsteady operation of the hydraulic compensation element, there is no jamming or frictional sliding (stick-slip) of the piston in the housing, for example due to a stronger one thermal expansion of the piston in relation to the housing or a stronger thermal contraction of the housing in relation to the piston.
  • sticking-slip frictional sliding
  • radial temperature gradients which can lead to different thermal expansion of the piston and cylinder and, if not properly designed, clamping. This can be prevented by the following measures:
  • the piston and the housing are made of the same material or materials with the same thermal expansion coefficient.
  • a sufficiently large gap between the piston and cylinder in the range of 10 to 50 ⁇ m in connection with a fluid with a higher basic viscosity in the range of 100 to 1000 centistokes should be selected with a sufficient guide length of the piston in the housing to prevent tilting.
  • Typical injection times of approximately 1 ms to 3 ms in which the hydraulic chamber 9 has to transmit a force.
  • the invention provides that a piezo actuator A with the
  • Piston 3 or connected to the housing 2 and its slow thermally induced change in length does not lead to a power transmission between the piston and the housing.
  • the piezo actuator A warms up and this leads to its change in length in the range of seconds or minutes, the change in length only causes an almost negligible force on the piston 3 or on the housing 2.
  • the injector function is therefore activated by slow e.g. thermal changes in length are not affected. However, impulsive force loads on the hydraulic compensation element can still be transmitted stiffly.
  • the blanking interval is the time in which the hydraulic compensation element is not loaded with a force and the piston can move back into its rest position.
  • a fluid valve to be driven Since a fluid valve to be driven is almost always realized in the form of a plate or seat valve in an injector, it has at least one fixed stop in the form of a sealing surface or sealing line VS, by means of which the closed initial position of the closing element is fixed relative to the valve housing.
  • the hydraulic compensation element 1 is used in a valve of this type, in which on the one hand the piston 3 on the end face S1 is firmly connected to the piezo actuator A and on the end face S2 with the closing element like a valve needle, and on the other hand the housing 2 of the hydraulic compensation element 1 is connected to a fixed bearing B like a valve housing, a reset mechanism is provided in the simplest way.
  • the resetting can also be realized, as shown in FIG. 1 a, by a spring FI acting on the piston 3, which holds the piston 3 in contact with the piezo actuator and the piezo actuator in contact with the valve needle.
  • a spring FI acting on the piston 3, which holds the piston 3 in contact with the piezo actuator and the piezo actuator in contact with the valve needle.
  • the hydraulic compensation and drive elements as well as the drive element and closing element do not have to be firmly connected but only kept in contact.
  • FIG. 2 shows a check valve 15 accommodated in the hydraulic chamber 9, hereinafter also referred to as "flapper valve", which covers at one end an additional bore 14 incorporated in the housing 2 and connecting the storage volume 10 with the hydraulic chamber 9.
  • the flapper valve 15 effects an adjustment of the fluid flow through the bore 14. It is fixed by means of weld points 17 on the annular surface 2a ⁇ of the housing 2 so that it can be swung open relative to the axially pressure-effective annular surface of the piston 3a.
  • FIG. 3 shows how, instead of the housing 2, the piston 3 is provided with bores 16 which also connect a storage volume 8 to a hydraulic chamber 9. If a vacuum occurs in the hydraulic chamber 9 at the beginning of the blanking interval mentioned above, and if the flapper valve 15, which in this exemplary embodiment is attached to the annular surface 3a ⁇ of the piston 3 in a hinged manner, is drawn through the differential pressure, the bore 16 released and the fluid flow through the bore into the hydraulic chamber is significantly accelerated.
  • the hydraulic compensation elements according to FIGS. 2 and 3 with their respective flapper valves achieve duty cycle ratios of up to 0.8.
  • FIG. 4 shows a development of a hydraulic compensation element 1 according to FIG. 1, in which a filling bore
  • the clearance fit 6 throttles the entire axial length in this embodiment, so that its throttling effect is increased.
  • FIG. 5 shows a hydraulic compensation element in which the housing 2 is expanded by a part 18.
  • the enlarged part 18 can be referred to as a sleeve.
  • the outer contour of the piston 3 is again adapted to the inner wall of the sleeve 18 such that an additional clearance 19 is formed between the piston 3 and the sleeve 18.
  • the sleeve 18, the piston 3 and the housing 2 define a second un- tere hydraulic chamber 20, which is * of the sleeve 18 and an axially pressure-effective surface 3a ⁇ formed between an axially pressure-effective surface 2a of the piston.
  • the GE- housing 2 and the sleeve 18 are fluid-tight and mechanically rigid, for example by means of welds 21 connected to each other.
  • the lower membrane 5 is hermetically sealed at its inner diameter at the lower end of the piston 3 and at its outer diameter on the sleeve 18.
  • a structure with two hydraulic chambers 9 and 20 leads to a doubling of the rigidity of the hydraulic compensation element when it is loaded by a brief force.
  • the doubled stiffness is advantageously achieved with almost the same outer diameter as the outer diameter of the hydraulic compensation elements with only one hydraulic chamber 9.
  • the hydraulic compensation element is thus bidirectional.
  • a force can be applied to the housing 2 or, alternatively, to the piston 3 without the compensation and force transmission properties of the hydraulic compensation element 1 being changed.
  • the housing 2 expanded by the sleeve 18 can on the one hand be rigidly connected to a fixed bearing B and on the other hand the piston 3 can be connected to a piezo actuator A.
  • the housing 2 could be connected to the piezo actuator A and the piston 3 could be rigidly connected to the fixed bearing B. his. Only the relative movement between the piston 3 and the housing 2 is decisive.
  • a force F acts on the piston 3 on the end face S2 through the piezo actuator A, and if the hydraulic compensation element 1 is attached to the housing 2, for example on a fixed bearing B, then a pressure Pl is established in the hydraulic chamber 9 with chamber height h1 which is only affected , At the same time, in the second hydraulic chamber 20 with chamber height h2 a pressure P2 on.
  • Both hydraulic chambers 9, 20 have hydraulically active circular ring surfaces 2a, 2a ⁇ > , 3a ', 3a with the respective surfaces A ⁇ stretched between the inner clearance fits 6, 19 and the outer clearance fit 7.
  • the height of the hydraulic chamber 9 begins to decrease at a constant speed and, on the other hand, the height of the hydraulic chamber 20 begins to decrease with a constant to increase speed, the fluid being emptied from the hydraulic chamber 9 into the hydraulic chamber 20 via the clearance fit 7.
  • the pressure drop in the hydraulic chamber 20 compared to the pressure P 0 prevailing in the storage space 8, fluid flows from the storage space 8 into the hydraulic chamber 20.
  • the hydraulic chambers 9 and 20 thus swap their roles in the sense that there was a pressure drop in the hydraulic chamber 9 in the previous pressure rise and vice versa.
  • the hydraulic compensation element behaves identically regardless of the direction of force; so it's bidirectional.
  • the piston 3 or the disk 3a of the piston 3a is in an intermediate position, where the hydraulic chamber heights h1 and h2 are the same, the rigidity of the hydraulic compensation element 1 is doubled compared to a hydraulic compensation element with only one hydraulic chamber. According to the formulas given above, the stiffness is even higher in the off-center position.
  • FIG. 6 shows the combination of a piston 3 provided with axial bores 16 with a housing 2 expanded by a sleeve 18.
  • the bores 16 can interact with a flapper valve 15.
  • the advantages of a piston 3 additionally provided with bores 16 are, as mentioned in the description of FIGS. 2 and 3, combined with the advantage of increased rigidity with two hydraulic chambers.
  • FIG. 7 shows the mode of operation of the hydraulic compensation element presented in FIG. 6. If, as shown on the left-hand side, the hydraulic compensation element on the piston 3 is subjected to a force F, an overpressure arises in the hydraulic chamber 9 in relation to the lower hydraulic chamber 20 and this pressure difference keeps the flapper valve 15 tightly closed. If, as on the right-hand side of the figure, the pressure conditions are reversed and a tensile force acts on the piston 3, the flapper valve 15 opens the bores 16 in order to enable an almost unthrottled fluid flow f from the lower hydraulic chamber 20 into the upper hydraulic chamber 9, whereby the Piston 3 is easily displaceable.
  • the tractive force can be achieved, for example, by means of the reset mechanism already mentioned, which pulls the piston 3 back or pushes it into a defined starting length after an application of force and the drift caused thereby.
  • FIG. 8 shows a hydraulic compensation element 1 according to FIG. 5 which has bores 14 and 14a in the housing 2 and the filling bore 11 with at least one of these bores, for example, connected to the bore 14a.
  • the bores 14 and 14a still connect a hydraulic chamber with a storage volume.
  • the flapper valve 15 can close the bores 14 and 14a as shown in FIG. The advantages of the holes 14 and 14a for a quick backflow of the
  • Fluids can thus be combined with the filling bore 11a connected to the storage volume 10 (the clearance fit 6 throttles over its entire length) according to FIG. 4.
  • FIG. 9 shows how the sleeve 18 from FIG. 5 is provided with bores 14b.
  • a force F is applied, a negative pressure is created in the hydraulic chamber 20 so that the hydraulic suction resulting therefrom presses the flapper valve 15 against the axially pressure-effective circular surface 18a of the sleeve 18 and the bores 14b are closed.
  • the fluid can therefore only flow out of the storage volume 8 through the clearance fit 19.
  • the piston 3 moves again in the direction of the piezo actuator A, so that the flapper valve 15 is opened and the return flow of the fluid back into the storage volume 8 is facilitated.
  • the filling hole 11 is machined into the housing 2, but it can also be machined into the sleeve 18. If required, it can also open into the bore 14b and thus also be connected to the hydraulic chamber 20 and the storage volume 8.
  • FIG. 10 shows a further development of the invention, particularly suitable for the case where the hydraulic compensation element 1 is rigid under the application of force, but should prove to be soft under tensile forces, and both hydraulic chambers 9, 20, on the one hand, and on the other hand with the storage volumes 8 , 10 let the fluid flow back slightly.
  • the hydraulic compensation element is no longer bidirectional due to the flapper valves, only the rigidity is increased in the direction of force indicated by the arrow.
  • Both the housing 2 and the piston 3 as well as the sleeve 18 are thus provided with holes 14 and 16 or 14, 14a, 14b, and 16. Each hole is provided with a flapper valve 15 at least on one side.
  • FIG. 11 shows how the hydraulic compensation element presented in FIG. 5 is realized with the smallest possible cross section.
  • the housing 2 is expanded by a housing part 18b, which is welded firmly to the original housing 2 without, in contrast to the sleeve 18 according to FIGS. 5 to 10, this expansion leading to an overall enlarged cross section of the expanded housing.
  • the sleeve 18b can have bores for the same purpose and can be provided with flapper valves 15.
  • the compensating accumulator has an elastic membrane 22 and a storage volume 23 enclosed underneath.
  • the storage volume 23 is formed between the outside of the housing 2 and the elastic membrane 23 and is fluidly unrestrictedly connected to a further storage volume 10 via an additional bore 11b.
  • the storage volume 8 can preferably also be connected to AS unthrottled.
  • the elastic membrane is preferably an elastic sleeve which spans the outside of the housing 2, that is to say its outer surface.
  • the elastic sleeve 22 is welded at its edges at the welding points 22a to the outside of the housing 2 and preferably has metal and / or plastic parts. The size or concentration of the respective proportions is matched to the desired elasticity of the elastic sleeve.
  • the compensation store AS serves in particular to compensate for the thermal expansion of the fluid located in the hydraulic compensation element and is particularly advantageous with regard to the largest possible working temperature range of the hydraulic compensation element, such as, for example, when it is installed in an injector. 200303122
  • the housing 2 of the hydraulic compensation element by means of a spacer with the inner wall D ⁇ rm the metering device is mechanically connected.
  • FIG. 13 shows how a bidirectional hydraulic compensation element 1 according to FIG. 5 is also provided with the elastic sleeve 22.
  • the elastic sleeve is welded to the housing 2 and with its enlarged part 18b via the weld seam 22a.
  • the compensation accumulator AS is preferably not placed over the filling hole, since otherwise the hydraulic compensation element would not be easily filled.
  • the weld seam 21 is preferably flush with the outer contour or recessed so that the stretching of the elastic sleeve 22 is not hindered.
  • the compensation memory AS with its elastic sleeve 22 can of course be used for all of the exemplary embodiments of this invention mentioned here.
  • the hydraulic compensation element 1 can be connected to an external hydraulic accumulator (not shown).
  • the interior of the hydraulic compensation element would be connected to the external hydraulic accumulator via a bore through the housing 2, wherein this hydraulic accumulator can be part of a metering device or generally a device of a motor vehicle engine.
  • the additional hydraulic accumulator was a further increase in the lumen compensation, which is realized according to Figures 12 and 13 by the compensation memory AS with the elastic sleeve.

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Abstract

Es wird ein hydraulisch abgeschlossenes hydraulisches Kompensationselement vorgeschlagen, das mit einem Fluid befüllbar ist und folgende weitere Merkmale umfasst: ein hohl-zylinderförmiges Gehäuse (2) mit einem Innenraum welcher mindestens zwei unterschiedliche queraxiale Durchmesser aufweist und die Innenwand des Gehäuses mindestens eine axial druckwirksame Fläche (2a') aufweist; eine in den Innenraum des Gehäuses führende, verschließbare Befüllbohrung (11); einen im Gehäuse (2) axial verschieblich aufgenommenen Kolben (3) mit mindestens einer axial druckwirksamen Fläche welche der axial druckwirksamen Fläche (2a') des Gehäuses gegenüberliegt; einer Außenkontur, die an die Innenwand des Gehäuses derart angepasst ist, dass teilweise Spielpassungen (6, 7) mit fluiddrosselnder Wirkung zwischen dem Kolben (3) und dem Ge­häuse (2) ausgebildet sind.

Description

Beschreibung
Hydraulisches Kompensationselement
Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Kompensationselement.
Mechanische Toleranzen, temperaturbedingte und druckbedingte Längenänderungen, Alterungseffekte eines insbesondere in ei- nem Fluidventil eingesetzten PMA (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 Werk- 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. 40mm und einem Piezo- Schichtabstand von 80μm bei 160V angelegter Spannung führt der inverse piezoelektrische Effekt zu einer Elongation von maximal 56μm. Liegt also zwischen dem Piezoaktor und dem Gehäuse, in dem der Piezoaktor eingebaut ist, auch nur eine minimale relative Abweichung im effektiven Temperaturdehnungs- koeffizienten von ca. 1*10~6 1/K über die Länge des Piezoaktors von 40mm vor, so führt dies im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich -40°C bis 140°C zu einer Abweichung der für den Ventilbetrieb relevanten Referenzflächen von - 2,4μm bis zu +4,8μm oder in Summe zu 7,2μm und bezogen auf die Elongation 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 Überdruck 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 Hydraulikkammer zu einem um den Piezoaktor herum gebildeten Aktorraum führt.
Es liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein eine Vorrichtung anzugeben, welche bei geringem Platzbedarf gegenüber kurzzeitigen Kraftbeaufschlagungen steif ist und einen Längenausgleich eines auf die genannte Vorrichtung wir- kenden Elements erreicht.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Es wird ein hydraulisch abgeschlossenes hydraulisches Kompensationselement vorgeschlagen, das mit einem Fluid befüllbar ist und folgende weitere Merkmale umfasst: ein hohl-zylinderförmiges Gehäuse mit einem Innenraum welcher mindestens zwei unterschiedliche queraxiale Durchmesser aufweist und die Innenwand des Gehäuses mindestens eine axial druckwirksame Fläche aufweist eine in den Innenraum des Gehäuses führende, verschließbare Befüllbohrung einen im Gehäuse axial verschieblich aufgenommenen Kolben mit - mindestens einer axial druckwirksamen Fläche welche der axial druckwirksamen Fläche des Gehäuses gegenüberliegt einer Außenkontur, die an die Innenwand des Gehäuses derart angepasst ist, dass teilweise Spielpassungen mit fluiddrosselnder Wirkung zwischen dem Kolben und dem Ge- häuse ausgebildet sind mindestens eine Hydraulikkammer, welche zwischen der mindestens einen axial druckwirksamen Fläche des Kolbens und der mindestens einen axial druckwirksamen Fläche des Gehäuses ausgebildet ist und jeweils an beiden Seiten mit den Spielpassungen verbunden ist, elastische Membranen welche am Gehäuse derart befestigt sind, dass Speichervolumina zwischen den Membranen und dem Gehäuse ausgebildet sind, wobei an jeder Stirnseite des Gehäuses mindestens eine elastische Membrane das Gehäuse mit dem Kolben verbindet.
Durch seine Spielpassungen und Hydraulikkammern erreicht das hydraulische Kompensationselement eine hohe Steifigkeit gegenüber Kraftbeaufschlagungen. Durch die elastischen Membra- nen wird gleichzeitig ein Längenausgleich eines auf das hydraulische Kompensationselement wirkenden Elements erreicht und eine thermische Volumenänderung des im hydraulischen Kompensationselement befindlichen Fluids abgefangen.
Unter "hydraulisch abgeschlossenen" wird verstanden, dass das hydraulische Kompensationselement mit einem außerhalb des hydraulischen Kompensationselements befindlichen hydraulischen Systems nicht hydraulisch in Verbindung steht.
Das hydraulische Kompensationselement kann also vorteilhaft- erweise als modulare Einheit hergestellt und getestet werden.
Unter dem Begriff "axial" wird die Achse des Gehäuses verstanden, die durch seine beiden Stirnseiten verläuft. Unter "axial" auch wird die Richtung der Krafteinwirkungen- und Übertragungen des hydraulischen Kompensationselements verstanden. Unter "axial" wird allerdings auch "im wesentlichen axial" verstanden.
Das hydraulische Kompensationselement wird vorzugsweise in einem Injektor und/oder in einem Common-Rail-Injektor verwendet .
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen
Figur 1 eine erste, einfache Ausbildung des hydraulischen Kompensationselements ,
Figur la den Einbau des hydraulischen Kompensationselements in einer Dosiervorrichtung
Figur 2 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensations- elements in einer Seiten- und Querschnittsansicht bei der das Gehäuse eine axiale Bohrung aufweist welche über ein Rückschlagventil zu einer Hydraulikkammer führt,
Figur 3 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements in einer Seiten- und Querschnittsansicht bei der der Kolben parallel zum Gehäuse und zur Kolbenachse laufende Bohrungen aufweist welche über ein Ruckschlagventil mit der Hydraulikkammer verbunden sind,
Figur 4 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements bei der die Befullbohrung zu einem Speichervolumen fuhrt,
Figur 5 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensations- elements bei der das Gehäuse um eine Hülse verlängert ist und eine zweite Hydraulikkammer zwischen Gehäuse und Kolben ausgebildet ist,
Figur 6 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensations- elements bestehend aus einer Kombination der Figuren 3 und 5,
Figur 7 eine Darstellung der Funktionsweise des hydraulischen Kompensationselements nach Figur 6,
Figur 8 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements bestehend aus einer Kombination der Figuren 3 und 5, wobei die Befullbohrung in eine axiale Bohrung des Gehäuses mundet,
Figur 9 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensations- elements bei der das um eine Hülse erweiterte Gehäuse gemäß Figur 5 axiale Durchbohrungen aufweist,
Figur 10 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements bei der sowohl das um eine Hülse erweiterte Gehäuse als auch der Kolben gemäß Figur 5 axiale Bohrungen aufweisen welche jeweils mit einem Ruckschlagventil verbunden sind,
Figur 11 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements bei der das Gehäuse um eine Hülse erwei- tert ist, welche mit im Vergleich zur Hülse gemäß den Figuren 5 bis 10 einen kleineren Außendurchmesser aufweist,
Figur 12 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements mit einer zusätzlichen Membrane, und
Figur 13 eine Weiterbildung des hydraulischen Kompensationselements bestehend aus einer Kombination der Figu- ren 5 und 12
Figur 1 zeigt wie das hydraulische Kompensationselement 1 mit der Ausnahme einer Befullbohrung 11 rotationssymmetrisch aufgebaut ist. Das hydraulische Kompensationselement 1 besteht aus einem hohl-zylinderförmigen Gehäuse 2, einem im Gehäuse verschieblich aufgenommenen Kolben 3, elastische Membranen 4,5, welche jeweils an den Stirnseiten Sl und S2 des Gehäuses befestigt sind, Speichervolumina 8 und 10 welche zwischen den Membranen und dem Gehäuse ausgebildet sind, einer Hydraulik- kammer 9 und aus der Befullbohrung 11 und einem dazugehörigen Verschlusselement 12. Die Endbereiche des Kolbens 3 können aus den Stirnseiten des Gehäuses herausragen. Die Hydraulikkammer 9 und die Speichervolumina 8 und 10 sind mit einem Fluid auswählbarer Viskosität gefüllt.
Der Kolben 3 besteht aus einer Kolbenstange 3b und einem Bereich vergrößerten Querschnitts 3a, welcher auch als Scheibe 3a bezeichnet werden kann. Die Scheibe 3a weist zwei jeweils zu den Stirnseiten des Gehäuses druckwirksamen Flächen 3a' und 3a ' ' auf. Die Flächen sind vorzugsweise Kreisringflächen welche im wesentlichen axial ausgerichtet sind um die axiale Druckwirksamkeit zu erreichen. Die Ausrichtungen der Flächen müssen nicht zwingend parallel zur Kolbenachse verlaufen, sondern können einen Winkel zur Kolbenachse aufweisen, solan- ge deren axiale Druckwirksamkeiten gewährleistet ist. Die
Flächen können bedarfsweise rau oder zumindest ungleichmäßig ausgestaltet werden. Der Kolben 3 weist vorzugsweise eine Bohrung 13 auf, durch die elektrische Zuleitungen K geführt werden können. Die elektrischen Zuleitungen können zur An- steuerung eines Piezoaktors in einem Injektor verwendet werden.
Das Gehäuse 2 weist einen Innenraum auf, welcher mindestens zwei unterschiedliche Innendurchmesser aufweist. Die Innenwand des Gehäuses weist auch mindestens eine axial druckwirksame Fläche 2a Λ auf, welche der Flache 3a des Kolbens 3 ge- genüberliegt. Die Fläche 2a ist auch hier vorzugsweise eine Kreisringflache .
Zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kolben 3 ist ein Spielraum gebildet, welcher durch Spielpassungen 6,7, der Hydraulikkammer 9 und den Speichervolumina 8, 10 gekennzeichnet ist. Die Außenkontur des Kolbens 3 ist an die Form der Innenwand des Gehäuses 2 angepasst, dennoch ist stets der oben genannte Spielraum gewährleistet um eine relative Verschiebung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 zu erlauben. Der Spiel- räum im Bereich der Speichervolumina 8 und 10 erlaubt zudem das Ausbeulen und die Kontraktion der Membrane 4 und 5.
Spielpassung und Hydraulikkammer
Die Spielpassungen 6,7 dichten die aus der oberen, axial druckwirksamen Flache 3a des Kolbens 3 und der gegenüber liegenden axial druckwirksamen Fläche 2a des Gehäuses 2 gebildeten Hydraulikkammer 9 gegenüber den Speichervolumina 8, 10 nahezu ab. Ein Fluidaustausch ist zwischen den Speichervo- lumina 8, 10 und der Hydraulikkammer 9 nur stark gedrosselt durch die Spielpassungen 6, 7 möglich. Die Speichervolumina 8,10 werden mittels den am Kolben 3 und am Gehäuse 2 durch Anschweißpunkte 4a, 5a dichtend befestigten elastische Membranen 4,5 vorzugsweise hermetisch dicht nach Außen abgedich- tet . Die elastischen Membrane können also auch als elastische Abdichtungen bezeichnet werden. Die Membrane 4 und 5 sind vorzugsweise ringförmige Flachmembrane. Die hinsichtlich ihrer druckbelasteten Flache und ihrer Krafteinleitung in den Kolben 3 am kleinen Durchmesser und in das Gehäuse 2 an ihrem Außendurchmesser identisch ausgelegten elastischen Membranen bilden zusammen mit dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 einen hermetisch dicht abgeschlossenen Innenraum des hydraulischen Kompensationselements 1 der mit entgastem Silikonöl geeigneter Viskosität unter Druck blasenfrei gefüllt ist. Ein derartiger Aufbau ist druckausgeglichen, d.h. durch den Befülldruck wird keine Nettokraft zwischen
Kolben und Gehäuse hervorgerufen. Der Innenraum des hydraulischen Kompensationselements 1 unterscheidet sich vom zuvor genannten Innenraum des Gehäuses 2 dadurch, dass der Innenraum des hydraulischen Kompensationselements insbesondere auch die Speichervolumina 8 und 10 umfasst.
Das hydraulische Kompensationselement 1 wird mittels einer geeigneten Vorrichtung evakuiert, um anschließend über die Befullbohrung 11 mit entgastem Silikonöl blasenfrei und unter einem Grunddruck stehend befullt zu werden. Ein Verschlusselement 12 in der Form einer Kugel oder eines Passstiftes verschließt die Befullbohrung 11 gasdicht. Das Verschlusselement 12 kann zusatzlich durch Verkleben oder Verschweißen gesichert sein. Die Befullbohrung 11 fuhrt zur Spielpassung 6, damit das parasitäre in der Befullbohrung 11 eingeschlossene Fluidvolumen (ein Grundprinzip des hydraulischen Kompensationselementes ist es das eingeschlossene Volumen möglichst klein zu halten; daher ist jedes Extravolumen störend, also parasitär) nur über die Spielpassung 6 stark gedrosselt mit der Hydraulikkammer 9 in Verbindung steht. Eine hydraulisch ungedrosselte bzw. nur schwach gedrosselte Verbindung der Befullbohrung 11 mit der Hydraulikkammer 9 hatte stattdessen einen Steifigkeitsverlust der Hydraulikkammer zur Folge.
Die Breite und Lange der Spielpassungen 6,7, und damit deren Drosselwirkungen, sind vorzugsweise auf die Viskosität des Fluids genau abgestimmt. Die Verwendung von Silikonöl wie z.B. Baysilone® M wird durch seine wesentlich geringere Abhängigkeit der Viskosität von der Temperatur verglichen mit Mineralölen in einem relevanten Temperaturbereich und der daraus resultierenden vereinfachten Abstimmung der Drossel- Wirkung der Spielpassungen bevorzugt.
Die Funktion des hydraulischen Kompensationselements 1 basiert darauf, dass mittels der Hydraulikkammer 9 kurzzeitig bei einer zu vernachlässigenden relativen Verschiebung zwi- sehen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 sehr hohe Kräfte übertragen werden können und die Hydraulikkammer eine einem Festkörper vergleichbare Steifigkeit aufweist, während eine langsame relative Verschiebung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 innerhalb gewisser Grenzen, wie beispielsweise der Höhe der Hydraulikkammer, nahezu kräftefrei (Steifigkeit 0) erfolgt. Daher ist das hydraulische Kompensationselement zum Einsatz in kurzzeitig oder periodisch arbeitenden Schaltventilen einsetzbar, wobei vorzugsweise die Zeit der Kraftübertragung des hydraulischen Kompensationselements 1 im Ver- gleich zur Entleerzeit der Hydraulikkammer 9 sehr kurz ist. Grundsätzlich können keine statischen Kräfte zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 über die Hydraulikkammer 9 übertragen werden.
Figur la zeigt wie das hydraulische Kompensationselement in einer Dosiervorrichtung D eingebaut ist. Die Dosiervorrichtung 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 hydraulischen 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 FI, und an seiner zweiten Stirnseite mit der einen Endkappe El der Aktu- atoreinheit verbunden. Das Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselement ist mit einem festen Lager L verbunden und ist somit relativ zur Aktuatoreinheit nicht beweglich. Genauer: das Gehäuse 2 ist mit einer Innenwand Dj.nn des Gehäuses der Dosiervorrichtung D, vorzugsweise mittels Schweißnähten SN, verbunden. Eine 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 die Endkappe E2 steif auf die Ventilnadel VN der Ventileinheit B damit ein Dichtelement bzw. ein Ventil geöffnet werden kann. Bei langsamen Dehnungen des Piezoaktors, wie nachfolgend genauer beschrei- ben, ist der Kolben relativ zum Gehäuse aber kraftlos ver- schieblich. Mittels des Rückstellmechanismus 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 Gehäuse der Dosiervor- richtung 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 ausge- führt 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.
Es kann auch ein alternativer Rückstellmechanismus in der Form eines Anschlags bereitgestellt werden, welcher als Verjüngung des Gehäuses der Dosiervorrichtung realisiert ist. Die Endkappe E2, welche vorzugsweise mit einem Stößel ausge- bildet ist, und der Anschlag können jeweils Strukturen aufweisen, welche gegenseitig ein Schlüssel-Schloss Prinzip derart darstellen, dass bei der Herstellung der Dosiervorrich- tung die Endkappe E2 am Anschlag vorbeigeführt wird und nach ihrer anschließenden Drehung die Endkappe nicht mehr am Anschlag vorbeigeführt oder gezogen werden kann. Somit würde ein maximaler Abstand zwischen einem Dichtelement des Ventils und der Endkappe immer gewährleistet sein.
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 meh- reren Krafteinwirkungen gezogen wird.
Wird durch den Kolben 3 über das Fluid in der Hydraulikkammer 9 eine Druckkraft F auf das Gehäuse 2 übertragen, welche den Kolben 3 und das Gehäuse 2 axial aufeinander zubewegen will, so steigt der Druck in der Hydraulikkammer 9 mit einer Kreisringfläche Ak um ΔP=F/Ak gegenüber dem Grunddruck P0 in den Speichervolumina 8,10 an, und die Höhe der Hydraulikkammer 9 beginnt sich mit einer konstanten Driftgeschwindigkeit langsam zu reduzieren, wobei das Fluid in der Hydraulikkammer 9 über die Spielpassungen 6,7 in die Speichervolumina 8,10 hinein entleert. Der Volumenstrom des Fluids ist direkt proportional zu ΔP, und damit zu F, und umgekehrt proportional zur Drosselwirkung der Spielpassungen 6,7. Eine Kraftübertragung kann daher nur als kurzzeitig verstanden werden, wenn der Driftweg des Kolbens bzw. der Volumenstrom des Fluids während der Zeitspanne der Krafteinwirkung auf den Kolben 3 vernachlässigbar ist und die Hydraulikkammer 9 während der Krafteinwirkung als nahezu dicht betrachtet werden kann.
Das hydraulische Kompensationselement 1 ist auch in der Lage Zugkräfte zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kolben 3 zu übertragen, allerdings ist die Zugkraft beschränkt durch den im hydraulischen Kompensationselement vorherrschenden Grunddruck P0. Unter einer Zugkraft wird eine Kraft verstanden, welche den Kolben und das Gehäuse axial voneinander wegbewegen und somit das Volumen in der Hydraulikkammer vergrößern will. Eine am hydraulischen Kompensationselement angreifende Zug- kraft, also beispielsweise wenn am Kolben 3 an der Stirnseite S2 gezogen wird, führt zu einer Druckabsenkung in der Hydraulikkammer 9 von ΔP0=F/A. Da Drücke aber nicht negativ werden können ist die maximal denkbare Druckabsenkung ΔP = Po und sodass dadurch Fzug_raax=P0*A gilt.
Fluidverhalten bei Temperaturschwankungen
Das in das hydraulische Kompensationselement 1 eingeschlosse- ne Fluidvolumen ist auf ein Minimum hin optimiert. Dies ist notwendig, da im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich von -40 bis 140°C die Betriebstemperatur bei einer Einfülltemperatur von 20°C zwischen -60°C bis 120°C schwankt. Ist die eingefüllte Fluidmenge bei 20 °C bei einem bestimmten Volumen V0 gewesen, so ändert sich beispielsweise das Volumen von Silikonölen z.B. Baysilone mit einem typischen Volumenänderungskoeffizienten von 1*10"3 K_1 in einem relevanten Temperaturbereich um ca. -6% bis zu 12% bezogen auf das ursprüngliche Volumen V0.
Beträgt nun die Höhe der Hydraulikkammer 9 im Ruhezustand des Kolbens 3 150μm und besitzt der Innenraum des Gehäuses 2 einen großen Durchmesser von 14mm und einen kleineren Durchmesser von 5mm, so beträgt das eingeschlossene Fluidvolumen bei 20°C ca. 36mm3 (V0) mit einem Schwankungsbereich von -2.2mm3 bei -40°C bis zu 4,3mm3 bei +140°C bezogen wiederum auf das ursprüngliche Volumen Vo bei einer Raumtemperatur von 20 °C.
Membrane
Diese thermische Änderung des Fluidvolumens wird aber vorteilhafterweise durch die Elastizität der Membranen 4, 5 ausgeglichen. Sie beulen sich bei Temperaturerhöhung aus und vergrößern den Innenraum des hydraulischen Kompensationsele- ments 1. Ein umgekehrter Effekt erfolgt bei reduzierter Temperatur. Die Membrane werden hinreichend druckstabil und elastisch ausgelegt damit die temperaturabhängige Volumen- Schwankung des Fluids ausgeglichen wird und gleichzeitig der Kolben 3 und das Gehäuse 2 relativ zueinander axial nahezu kraftlos verschiebbar sind. Die Änderung des Fluidvolumens führt also zu keiner Nettokraftwirkung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2.
Die Membrane 4,5 sind so optimiert, dass sie einer axialen Relativverschiebung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 nur eine zu vernachlässigende Kraft aufgrund ihrer möglichst geringen mechanischen Steifigkeit entgegensetzen. Sie bilden dennoch einen Anschlag, der das Auseinanderziehen von Kolben 3 und Gehäuse 2 ab einer durch die Anschweißpositionen 4a, 5a der Membranen definierten Lage verhindert. Legt sich beispielsweise die Membrane 4 am Gehäuse 2 an und/oder die unte- re Membrane 5 am Kolben, so wird ein weiteres Auseinanderziehen verhindert.
Die Membrane sind weitgehend flach ausgelegt, wobei sie sich in natürlicher Weise in Richtung des Gehäuses oder des Kol- bens krümmen. Sie weisen vorzugsweise eine abdichtende Funktion auf und können somit auch als elastische Abdichtungen bezeichnet werden.
Die Elastizität der Membranen 4,5 kann bei gleicher Druckfes- tigkeit dadurch erhöht werden, dass anstelle einer einzelnen Membranen 4,5 mit einer Wanddicke d, n-Membranen der Dicke d/n geschichtet werden. Durch geeignete Formgebung des Membranenbereichs nahe am Kolben 3 können die mechanischen Spannungen nahe der Anschweißlinie 4a bzw. 5a in materialverträg- liehen Grenzen gehalten werden.
Durch eine Formgebung der Membranen 4,5 mittels einer aufgeprägten Struktur, wie beispielsweise einer Wellenstruktur in radialer Ausrichtung oder einer Wellenstruktur in Umfangs- richtung, können die Membrane hinsichtlich ihrer Steifigkeit gegenüber axialen Verschiebungen des Kolbens und auch hinsichtlich ihres Speichervermögens optimiert werden. Eine Optimierung der Membranen kann auch durch ein geeignetes Profil in der Membranendicke, also durch eine Dickenvariation, erfolgen oder es können Abdichtungen beispielsweise in der Form von Bälgen oder Metallbälgen ausgestaltet werden. Die Membrane können auch mehrlagig ausgeführt sein. Flexible Abdichtungen können als Kombination von Flachmembranen mit Bälgen ausgestaltet sein. Es werden vorzugsweise Kunststoff-, Kautschuk- oder faserverstärkte Membranen verwendet.
Die Werkstoffsauswahl für die Membrane ist nicht auf metallische Werkstoffe beschränkt. Es können alle Arten von hinreichend druckfesten und temperaturstabilen Werkstoffen oder Verbundswerkstoffen eingesetzt werden wie z.B. elastomere Kunststoffe oder CFK-, GFK- Verbundfasermaterialen.
Durch den Einsatz mechanisch weicher und reibungsarm abdichtender Metall-, Kunststoff- oder Kautschukmembranen wird die Verwendung von reibungsverursachenden und damit stark funkti- onsbeeinträchtigender aber billiger O-Ringe des Standes der Technik vermieden.
Die Membranen 4,5 können hinsichtlich ihrer druckbelasteten Fläche und ihrer Krafteinleitung in den Kolben 3 am kleinen Durchmesser und in das Gehäuse 2 an ihrem großen Durchmesser asymmetrisch ausgelegt sein. Dabei ist das hydraulische Kompensationselement 1 nicht mehr druckausgeglichen, sondern entfaltet eine druckabhängige Kraftwirkung welcher für bestimmte Applikationen vorteilhaft sein kann. Ein sich mit der Temperatur ändernder Innendruck im Hydraulikfluid führt in diesem Fall zu einer dem Druck direkt proportional folgenden Nettokraftwirkung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2. Der Proportionalitätsfaktor ist gezielt einstellbar.
Um das Ausbeulen der Membranen zu erhöhen wird bevorzugt, sie aus einem Werkstoff mit einem anderen, vorzugsweise höheren, Temperaturdehnungskoe fizient als dem des Gehäuses und/oder des Kolbens herzustellen. Bei steigender Temperatur bewirkt die Differenz der Temperaturdehnungskoeffiziente eine stärkere Durchmesservergroßerung der Membranen 4,5 verglichen mit der des Gehäuses 2 und/oder des Kolbens 3. Durch die hermetisch dichte Befestigung der Membranen am Gehäuse 2 und am Kolben 3 besteht eine Einspannbedingung am Innen- und Außendurchmesser der Membranen 4,5. Daher kann die Differenz in der Durchmesservergrößerung zwischen dem Gehäuse 2 und der Membrane nur in einer verstärkten Auswolbung der Membranen abgefangen werden, welches einem Bi-Metall Effekt entspricht. Nach Bedarf können die Membrane untereinander auch unterschiedliche Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen.
Unterschiedliche Temperaturdehnungskoeffienzienten des Gehäuses und des Kolbens
Bei einem hydraulischen Kompensationselement der vorgestellten Art muss eine reibungsarme Bewegung des Kolbens 3 relativ zum Gehäuse 2 gewahrleistet sein, da ansonsten seine angestrebte Ausgleichsfunktion nicht oder nur eingeschränkt gege- ben wäre. Hierzu sind die Passungsmasse und Toleranzen von Kolben und Gehäuse so zu wählen, dass ein positives Spiel vorhanden ist. Für eine reibungs- und ruckarme Bewegung zwischen Kolben und Gehäuse ist zusatzlich eine hinreichende Oberflachengute der Außenseite des Kolbens und/oder der In- nenwand des Gehäuses, insbesondere eine geringe Oberflachenrauhigkeit, wie sie beispielsweise durch Schleifen hergestellt werden kann, und um Verkippungen zu vermeiden, eine ausreichende Führungslange, vorteilhaft. Eine Einhaltung der Passungsmasse von Kolben und Zylinder wird derart sicherge- stellt, dass es nicht nur im Montagezustand sondern auch im stationären und instationaren 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 Be- zug auf das Gehäuse oder eine stärkere thermische Kontraktion des Gehäuses in Bezug auf den Kolben, kommen kann. Insbesondere im Instationarbetrieb und bei hohen Betriebsfrequenzen entstehen aufgrund der hohen und sich zeitlich stark ändernden Warmefreisetzung des Aktors bei gleichzeitiger Kühlung durch den Kraftstoff radiale Temperaturgradienten, die zu einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Kolben und Zylinder und bei nicht sachgerechter Auslegung zu Klemmungen fuhren 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 thermischen Ausdehnungskoeffizienten. 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 Grundviskositat im Bereich 100 bis 1000 Centistokes bei ausreichender Fuhrungslange des Kolbens im Gehäuse zur Vermeidung von Verkippungen, zu wählen.
b.) Erwärmt sich der Kolben z.B. starker 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 6,7 zu klemmen beginnt.
c.) Kann man davon ausgehen, dass sich der Kolben 3, das Hydraulikfluid und das Gehäuse G immer auf nahezu gleicher Temperatur befinden, so kann der Temperatureinfluss auf die Spaltstromung zwischen den Spielpassungen 6,7,19 im durch ei- nen Aktor belasteten Zustand des Hydrauliksystems in weiten Bereichen kompensiert werden, wenn der Kolben eine geeignet gewählte 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 Hydraulikfluids entlang der Spielpassungen entsprechend exponentiell zunimmt. Der Volumenstrom 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.
Ausgleich einer thermisch induzierten Längenänderung des Piezoaktors
Bei Einspritzventilen bzw. Injektoren für Verbrennungsmotoren treten Effekte mit hinreichend unterschiedlichen Zeitskalen auf:
Typische Einspritzzeiten von ca. 1ms bis 3ms in der die Hydraulikkammer 9 eine Kraft übertragen muss.
Langsame thermische Vorgänge im Sekunden bis Minutenbereich, wobei ein Fluidaustausch im hydraulischen Kompensationselement ungehindert stattfinden muss.
Die Erfindung sieht aber vor, dass ein Piezoaktor A mit dem
Kolben 3 oder mit dem Gehäuse 2 verbunden sein kann und seine langsame thermisch induzierte Längenänderung nicht zu einer Kraftübertragung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse führt. Wenn der Piezoaktor A sich aufwärmt und dies zu seiner Län- genänderung im Sekunden- oder Minutenbereich führt, bewirkt die Längenänderung nur eine nahezu vernachlässigende Kraft auf den Kolben 3 oder auf das Gehäuse 2. Die Injektorfunktion wird daher durch langsame z.B. thermische Längenänderungen nicht beeinträchtigt. Impulsartige Kraftbeauschlagungen auf das hydraulische Kompensationselement können allerdings nach wie vor steif übertragen werden.
Wiederholt auftretende Krafteinwirkungen auf das hydraulisches Kompensationselement 1 kumulieren sich aber indem sich der Verschiebeweg zwischen dem Gehäuse 2 und dem Kolben 3 addiert. Aus diesem Grund wird ein Rückstellmechanismus, wie zu Figur la beschreiben, vorgeschlagen der den Kolben 3 in der Austastlücke in seine Anfangslage zurückversetzt. Die Austastlücke ist die Zeit, in der das hydraulische Kompensationselement nicht mit einer Kraft belastet wird und sich der Kolben wieder in seine Ruhelage bewegen kann.
Da ein anzutreibendes Fluidventil in einem Injektor fast immer in Form eines Teller- oder Sitzventils realisiert ist, besitzt es mindestens einen festen Anschlag in der Form einer Dichtfläche oder Dichtlinie VS, durch die die geschlossenen Anfangsposition des Schließelementes relativ zum Ventilgehäuse festgelegt ist. Wird bei der Verwendung des hydraulischen Kompensationselements 1 in ein derartiges Ventil, bei dem einerseits der Kolben 3 auf der Stirnseite Sl mit dem Piezoaktor A und auf der Stirnseite S2 mit dem Schließelement wie eine Ventilnadel fest verbunden ist und andererseits das Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselements 1 mit einem festen Lager B wie ein Ventilgehäuse verbunden ist, wird auf einfachste Weise ein Rückstellmechanismus bereitgestellt.
Die Rückstellung kann wie in Figur la gezeigt auch durch eine am Kolben 3 angreifende Feder FI realisiert werden, welche den Kolben 3 auf Anlage mit dem Piezoaktor und den Piezoaktor auf Anlage mit der Ventilnadel hält. Hierbei müssen die hydraulische Kompensations- und Antriebselemente sowie Antriebs- element und Schließelement nicht fest verbunden sondern nur auf Anlage gehalten werden.
Bei höheren Tastraten kann es dazu kommen, dass der Druck in der Hydraulikkammer am Ende der Austastlücke noch nicht den Wert PO der Ruhelage des Kolbens erreicht hat (unvollständige Rückbefüllung) und sich eine dynamische Zugkraft zwischen dem Kolben 3 und Gehäuse 2 einstellt. Ein analoges Verhalten tritt bei wiederholten Zugkräften auf. Die Tastrate ist durch das Verhältnis der Zeit in der eine Kraft über die Hydraulik- kammer 9 übertragen wird zur Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgender Krafteinwirkungen (Periodendauer) definiert. Der vollständige Rückfluss des Fluids kann aber auch bei höheren Tastraten mittels eines Rückschlagventils 15 wie nachfolgend vorgestellt erreicht werden.
Vorstellung der Flappervalves und der für den Rücklauf erforderlichen Bohrungen
Figur 2 zeigt ein in der Hydraulikkammer 9 aufgenommenes Rückschlagventil 15, nachfolgend auch "Flappervalve" genannt, welches eine das Speichervolumen 10 mit der Hydraulikkammer 9 verbindende zusätzliche im Gehäuse 2 eingearbeitete Bohrung 14 an ihrem einen Ende abdeckt. Das Flappervalve 15 bewirkt eine Einstellung des Fluidstroms durch die Bohrung 14. Es ist durch Anschweißpunkte 17 auf die Kreisringfläche 2a λ des Ge- häuses 2 gegenüber der axial druckwirksamen Kreisringfläche des Kolbens 3a aufklappbar fixiert.
Wird der Kolben 3 von einer Kraft F (in Richtung des Pfeils) belastet, entsteht ein Überdruck in der Hydraulikkammer 9 so- dass das Flappervalve 15 am Gehäuse 2 angepresst bleibt und die Bohrung 14 geschlossen wird. Dadurch bleibt das hydraulische Kompensationselement steif. Sobald in der Austastlücke die Kraft F nachlässt drücken die Membranen 4,5 oder allgemein ein mit dem Kolben 3 zusammenwirkendes Rückstellmecha- nismus den Kolben 3 wieder in die der Kraft F entgegengesetzte Richtung. Somit entsteht in der Hydraulikkammer 9 ein Unterdruck, der das Flappervalve zum Öffnen zwingt. Der Rückfluss der Flüssigkeit vom Speichervolumen 10 in die Hydraulikkammer 9 wird beschleunigt, da der Rückfluss nicht nur durch die Spielpassungen 6,7 möglich ist, sondern auch durch die zusätzliche Bohrung 14.
Die untere Zeichnung dieser Figur ist eine Querschnittsansicht des hydraulischen Kompensationselements, bei der ein ringförmiges Flappervalve 15 dargestellt ist. Figur 3 zeigt wie anstelle des Gehäuses 2 der Kolben 3 mit Bohrungen 16 versehen wird welche auch ein Speichervolumen 8 mit einer Hydraulikkammer 9 verbinden. Entsteht zu Beginn der oben genannten Austastlücke ein Unterdruck in der Hydraulik- kammer 9, und wird am Flappervalve 15, welches in diesem Aus- führungsbeispiel an der Kreisringfläche 3a λ des Kolbens 3 aufklappbar befestigt ist, durch die Differenzdruckbedingte gezogen, so wird die Bohrung 16 freigegeben und der Flu- idstrom durch die Bohrung in die Hydraulikkammer deutlich be- schleunigt.
Die untere Zeichnung der Figur 3 ist ebenfalls eine Querschnittsdarstellung der oberen Zeichnung.
Die hydraulischen Kompensationselemente nach den Figuren 2 und 3 mit deren jeweiligen Flappervalves erreichen Tastratenverhältnisse von bis zu 0,8.
Figur 4 zeigt eine Weiterbildung eines hydraulischen Kompen- sationselements 1 nach Figur 1, bei dem eine Befullbohrung
11a an das Speichervolumen 10 verbunden ist. Im Gegensatz zu den Figuren 1 bis 3 drosselt bei dieser Ausführungsform die Spielpassung 6 gesamten axialen Länge sodass ihre Drosselwirkung erhöht wird.
Hydraulisches Kompensationselement mit zwei Hydraulikkammern
Figur 5 zeigt ein hydraulisches Kompensationselement, bei dem das Gehäuse 2 um einen Teil 18 erweitert ist. Der erweiterte Teil 18 kann als Hülse bezeichnet werden. Die Außenkontur des Kolbens 3 ist auch wieder an die Innenwand der Hülse 18 derart angepasst, sodass eine zusätzliche Spielpassung 19 zwischen dem Kolben 3 und der Hülse 18 gebildet wird. Die Hülse 18, der Kolben 3 und das Gehäuse 2 begrenzen eine zweite un- tere Hydraulikkammer 20, welche zwischen einer axial druckwirksamen Fläche 2a * der Hülse 18 und der einen axial druckwirksamen Fläche 3a Λ des Kolbens 3 ausgebildet ist. Das Ge- häuse 2 und die Hülse 18 sind fluiddicht und mechanisch steif beispielsweise mittels Schweißnähten 21 miteinander verbunden. Die untere Membrane 5 ist an ihrem Innendurchmesser am unteren Ende des Kolbens 3 und an ihrem Außendurchmesser an der Hülse 18 nach Außen hermetisch dichtend befestigt.
Ein Aufbau mit zwei Hydraulikkammern 9 und 20 führt zu einer Verdoppelung der Steifigkeit des hydraulischen Kompensationselements wenn er durch eine kurzzeitige Kraft belastet wird. Die verdoppelte Steifigkeit wird vorteilhafterweise bei nahezu gleichem Außendurchmesser wie der Außendurchmesser der hydraulischen Kompensationselemente mit nur einer Hydraulikkammer 9 erreicht.
Mittels der beiden Hydraulikkammern 9, 20 kann eine Kraft auf einem der beiden Stirnseiten Sl oder S2 angelegt werden. Das hydraulische Kompensationselement ist somit bidirektional. Eine Kraft kann auf das Gehäuse 2 oder alternativ auf den Kolben 3 angelegt werden kann ohne dass die Kompensations- und Kraftübertragungseigenschaften des hydraulischen Kompensationselements 1 geändert werden. Das durch die Hülse 18 erweiterte Gehäuse 2 kann einerseits steif mit einem festen Lager B verbunden sein und der Kolben 3 andererseits mit einem Piezoaktor A. Umgekehrt könnte das Gehäuse 2 mit dem Piezoak- tor A und der Kolben 3 steif mit dem festen Lager B verbunden sein. Dabei ist lediglich die relative Bewegung zwischen dem Kolben 3 und dem Gehäuse 2 maßgeblich.
Die Funktionsweise des hydraulischen Kompensationselements 1 gemäß Figur 5 kann wie folgt genauer beschrieben werden:
Greift durch den Piezoaktor A eine Kraft F am Kolben 3 an der Stirnseite S2 an, und wird das hydraulische Kompensationselement 1 am Gehäuse 2 beispielsweise an einem festen Lager B befestigt, so stellt sich in der erst betroffenen Hydraulikkammer 9 mit Kammerhöhe hl ein Druck Pl ein. Gleichzeitig stellt sich in der zweiten Hydraulikkammer 20 mit Kammerhöhe h2 ein Druck P2 ein. Beide Hydraulikkammern 9,20 besitzen zwischen den inneren Spielpassungen 6, 19 und der äußeren Spielpassung 7 aufgespannte hydraulisch wirksame Kreisringflächen 2a , 2a Λ>, 3a', 3a mit den jeweiligen Flächen A^. Somit gilt
F = -Ak{P2 -Px)
Besitzt das Fluid eine Kompressibilität K, so gilt
Figure imgf000024_0001
und ^o- K h,
wobei mit Po der aktuelle belastungsfreie Grunddruck am Fluid wie er in den Speichervolumina 8, 10 vorherrscht und mit x die durch die Kraft F bewirkte Verschiebung des Kolbens 3, bezeichnet wird. Es gilt also
Figure imgf000024_0002
sodass die Federrate C der Hydraulikkammern 9 und 20 als
Figure imgf000024_0003
ausgedrückt werden kann.
Aufgrund der Druckänderung in den Hydraulikkammern 9,20 mit einer Kraft F beginnt sich die Höhe der Hydraulikkammer 9 mit einer konstanten Geschwindigkeit zu reduzieren und sich dagegen die Höhe der Hydraulikkammer 20 mit einer konstanten Ge- schwindigkeit zu erhöhen wobei das Fluid von der Hydraulikkammer 9 zum einen über die Spielpassung 7 in die Hydraulikkammer 20 hinein entleert. Zudem fließt aufgrund der Druckabsenkung in der Hydraulikkammer 20 gegenüber dem im Speicher- räum 8 vorherrschenden Druck P0 Fluid vom Speicherraum 8 in die Hydraulikkammer 20.
Es kann davon ausgegangen werden, dass in der ersten Hydraulikkammer immer eine Druckerhöhung und zur selben Zeit in der zweiten Hydraulikkammer eine Druckabsenkung auftritt. Da eine Druckabsenkung minimal nur bis auf den Dampfdruck des Fluids (nahe 0 Bar) möglich ist, wird die Hydraulikkammer in der sich die Druckabsenkung vollzieht bei weiterer Belastung weich, sodass ab diesem Moment die Relation
C = κ gilt,
Wird dagegen das hydraulische Kompensationselement am Gehäuse 2 von der anderen Stirnseite Sl mit einer Kraft belastet, gelten die folgenden Relationen:
P = P - ■ κ und
P2 = P0 + K- h,
Die Hydraulikkammern 9 und 20 vertauschen also hiermit ihre Rollen in dem Sinn, dass in der Hydraulikkammer 9 in der zu- vor Druckanstieg stattfand nun ein Druckabfall stattfindet und umgekehrt. Nach Außen verhält sich aber das hydraulische Kompensationselement identisch unabhängig von der Kraftrichtung; es ist also bidirektional. Bei einer mittleren Position des Kolbens 3 bzw. der Scheibe 3a des Kolbens 3a wo die Hydraulikkammerhöhen hl und h2 gleich sind, wird die Steifigkeit des hydraulischen Kompensationselements 1 gegenüber einem hydraulischen Kompensations- element mit nur einer Hydraulikkammer verdoppelt. Gemäß den oben angegebenen Formeln ist bei nichtmittiger Position die Steifigkeit sogar noch höher.
Figur 6 zeigt die Kombination eines mit axialen Bohrungen 16 versehenen Kolbens 3 mit einem um eine Hülse 18 erweiterten Gehäuse 2. Die Bohrungen 16 können wie bereits erläutert mit einem Flappervalve 15 zusammenwirken. Die Vorteile eines zusätzlich mit Bohrungen 16 versehenen Kolbens 3 werden wie genannt in der Beschreibung zu den Figuren 2 und 3 mit dem Vor- teil der erhöhten Steifigkeit mit zwei Hydraulikkammern kombiniert .
Figur 7 zeigt die Funktionsweise des in Figur 6 vorgestellten hydraulischen Kompensationselements . Wird wie auf der linken Seite gezeigt das hydraulische Kompensationselement am Kolben 3 mit einer Kraft F beaufschlagt, so entsteht in der Hydraulikkammer 9 gegenüber der unteren Hydraulikkammer 20 ein Überdruck und diese Druckdifferenz hält das Flappervalve 15 dicht geschlossen. Kehren sich wie auf der rechten Seite der Figur die Druckverhältnisse um und greift eine Zugkraft am Kolben 3 an, so öffnet das Flappervalve 15 die Bohrungen 16 um einen nahezu ungedrosselten Fluidstrom f von der unteren Hydraulikkammer 20 in die obere Hydraulikkammer 9 zu ermöglichen, wodurch der Kolben 3 leicht verschiebbar wird. Die Zug- kraft kann zum Beispiel mittels des bereits genannten Rückstellmechanismus erfolgen, der den Kolben 3 nach einer Kraftbeaufschlagung und des dadurch verursachten Drifts in eine definierte Ausgangslänge zurückzieht oder -schiebt.
Figur 8 zeigt ein hydraulisches Kompensationselement 1 gemäß Figur 5 das Bohrungen 14 und 14a im Gehäuse 2 aufweist und die Befullbohrung 11 mit mindestens einer dieser Bohrungen, z.B. mit der Bohrung 14a, verbunden ist. Die Bohrungen 14 und 14a verbinden nach wie vor eine Hydraulikkammer mit einem Speichervolumen. Das Flappervalve 15 kann dabei wie in Figur 2 gezeigt die Bohrungen 14 und 14a verschließen. Die Vorteile der Bohrungen 14 und 14a für einen schnelle Rückfluss des
Fluids können also mit der an dem Speichervolumen 10 verbundenen Befullbohrung 11a (die Spielpassung 6 drosselt an ihrer gesamten Länge) gemäß Figur 4 kombiniert werden.
Figur 9 zeigt wie die Hülse 18 aus Figur 5 mit Bohrungen 14b versehen wird. Bei einer Kraftbeaufschlagung F entsteht ein Unterdruck in der Hydraulikkammer 20 sodass der daraus entstehende hydraulische Sog das Flappervalve 15 an die axial druckwirksame Kreisringfläche 18a der Hülse 18 drückt und die Bohrungen 14b geschlossen werden. Das Fluid kann also aus dem Speichervolumen 8 nur durch die Spielpassung 19 fließen. In der Austastlücke bewegt sich der Kolben 3 wieder in Richtung des Piezoaktors A, sodass das Flappervalve 15 geöffnet und der Rücklauf des Fluids zurück in das Speichervolumen 8 er- leichtert wird.
Die Befullbohrung 11 ist in das Gehäuse 2 eingearbeitet, sie kann aber auch in die Hülse 18 eingearbeitet sein. Sie kann nach Bedarf auch in die Bohrung 14b münden und somit auch mit der Hydraulikkammer 20 und dem Speichervolumen 8 verbunden sein.
Figur 10 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung geeignet insbesondere für den Fall, dass das hydraulische Kompensations- element 1 unter Kraftbeaufschlagungen zwar steif ist, sich aber bei Zugkräften als weich erweisen soll und beide Hydraulikkammern 9, 20 zum einen gegenseitig und zum anderen mit den Speichervolumina 8,10 das Fluid leicht zurückfließen lassen. In dieser Variante ist durch die Flappervalves das hyd- raulische Kompensationselement nicht mehr bidirektional, lediglich die Steifigkeit ist in der durch den Pfeil angegebenen Kraftrichtung erhöht. Sowohl das Gehäuse 2, der Kolben 3 als auch die Hülse 18 werden also hier jeweils mit Bohrungen 14 und 16 bzw. 14, 14a, 14b, und 16 versehen. Jede Bohrung wird dabei zumindest an ihrer einen Seite mit einem Flappervalve 15 versehen. Zwei Flappervalves 15 sind in der Hydrau- likkammer 9 aufgenommen welche jeweils an den axial druckwirksamen Flächen 2a und 3a Λ des Gehäuse 2 und des Kolbens 3 befestigt sind und die Bohrungen 14a, 14 und 16 abdecken. Wird durch eine Kraft F der Kolben 3 belastet, bleibt das an der Kreisringfläche 18a der Hülse 18 befestigte Flappervalve 15 aufgrund des in der Hydraulikkammer 20 entstandenen (Sogs) Druckabsenkung geschlossen. In der Hydraulikkammer 9 entsteht ein Überdruck, welcher das Flappervalve 15 am Gehäuse 2 und das gegenüberliegende Flappervalve 15 am Kolben 3 schließt. Somit ist das hydraulische Kompensationselement steif und ei- ne Flüssigkeitsbewegung nur durch die Spielpassungen 6, 7, und 19 möglich. In der Austastlücke öffnen sich dabei alle Flappervalves 15 dadurch, dass der in der Austastlücke entstehende Unterdruck in der Hydraulikkammer 9 beide in seinem Volumen befindlichen Flappervalves in seinen Innern zieht und der wieder aufsteigende Druck in der Hydraulikkammer 20 sowohl das am Kolben 3 befestige Flappervalve 15 als auch das an der Hülse 18 befestigte Flappervalve 15 öffnet.
Figur 11 zeigt wie das in Figur 5 vorgestellte hydraulische Kompensationselement mit einem kleinstmöglichen Querschnitt realisiert ist. Dabei wird das Gehäuse 2 um einen Gehäuseteil 18b erweitert, welcher fest am ursprünglichen Gehäuse 2 angeschweißt wird ohne dass im Gegensatz zur Hülse 18 gemäß der Figuren 5 bis 10 diese Erweiterung zu einem insgesamt vergrö- ßerten 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 zumin- dest an der Oberfläche des Gehäuses glatt auszuführen. In der Herstellung kann dies anhand eines Überschleifens der Schweißstellen erreicht werden. Figur 12 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung bei der das hydraulische Kompensationselement 1 derart ausgebildet ist, dass ein Ausgleichsspeicher AS an der Außenseite des Gehäuses 2 bereitgestellt ist und es umspannt. Der Ausgleichsspeicher weist eine elastische Membrane 22 und ein darunter eingeschlossenes Speichervolumen 23 auf. Das Speichervolumen 23 ist zwischen der Außenseite des Gehäuses 2 und der elastischen Membrane 23 ausgebildet und über eine zusätzliche Boh- rung 11b mit einem weiteren Speichervolumen 10 fluidisch un- gedrosselt verbunden. Das Speichervolumen 8 kann vorzugsweise auch mit AS ungedrosselt verbunden sein. Die elastische Membrane ist vorzugsweise eine elastische Hülse welche die Außenseite des Gehäuses 2, also seine Mantelfläche, umspannt.
Aufgrund eines Temperaturanstiegs dehnt sich die Ölbefüllung im hydraulischen Kompensationselement aus. Falls der Volumenzuwachs nicht abgefangen (kompensiert) wird steigt der Öldruck im ungünstigsten Fall bis zur plastischen Deformation und Zerstörung der Membranen 4,5. Die elastische Hülse stellt ein temperaturabhängiges Auffangvolumen bereit, sodass ein gefährlicher Druckanstieg vermieden bzw. der Öldruck idealerweise konstant gehalten wird. Die elastische Hülse 22 ist an ihren Rändern an den Anschweißstellen 22a mit der Außenseite des Gehäuses 2 verschweißt und weist vorzugsweise 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 hydraulischen Kompensationselement befindlichen Fluids und ist im Hinblick auf einen möglichst großen Arbeitstemperaturbereich des hydraulischen Kompensationselements, wie zum Beispiel wenn es in einem In- jektor eingebaut ist, besonders vorteilhaft. 200303122
28 Bei der Herstellung eines mit dem Ausgleichsspeicher AS versehenen hydraulischen Kompensationselements 1 wird die elastische Hülse 23 mit geeigneter Wandstarke, Lange und geeignetem Temperaturdehnungskoeffizienten eng anliegend über das Gehäuse 2 geschoben und mit ihm verschweißt.
Um für die Ausdehnung der elastischen Hülse 22 des Ausgleichsspeichers AS zwischen dem Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselements und der Innenwand Dιnn des Gehäuses der Dosiervorrichtung D genügend Raum bereitstellen zu können wird bevorzugt, dass das Gehäuse 2 des hydraulischen Kompensationselements mittels eines Abstandhalters mit der Innenwand Dιrm der Dosiervorrichtung mechanisch verbunden ist.
Figur 13 zeigt wie ein bidirektionales hydraulisches Kompensationselement 1 nach Figur 5 auch mit der elastischen Hülse 22 versehen wird. Die elastische Hülse ist mit dem Gehäuse 2 und mit seinem erweiterten Teil 18b über die Schweißnahte 22a verschweißt. Vorzugsweise wird der Ausgleichsspeicher AS aber nicht über die Befullbohrung plaziert, da anderenfalls eine Befullung des hydraulischen Kompensationselement nicht ohne Weiteres möglich wäre. Die Schweißnaht 21 ist vorzugsweise bundig mit der Außenkontur oder versenkt ausgeführt damit das aufziehen der elastischen Hülse 22 nicht behindert ist.
Der Ausgleichsspeicher AS mit seiner elastischen Hülse 22 kann selbstverständlich f r alle hier genannten Ausfuhrungsbeispiele dieser Erfindung verwendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann das hydraulische Kompensationselement 1 mit einem externen Hydrospeicher (nicht gezeigt) verbunden sein. Über eine Bohrung durch das Gehäuse 2 würde der Innenraum des hydraulischen Kompensationselements zum externen Hydrospeicher verbunden sein, wobei dieser Hydrospeicher ein Teil einer Dosiervorrichtung oder allgemein eine Vorrichtung eines Kfz-Motors sein kann. Der zusatzliche Hydrospeicher wurde eine weitere Erhöhung des Vo- lumenausgleichs, welcher nach den Figuren 12 und 13 durch den Ausgleichsspeicher AS mit der elastischen Hülse realisiert wird, gewährleisten.

Claims

Patentansprüche
1. Hydraulisches Kompensationselement, welches ein abgeschlossenes Hydrauliksystem aufweist und mit einem Fluid be- fullbar ist, umfassend:
- ein hohl-zylinderformiges Gehäuse (2) mit einem Innenraum welcher mindestens zwei unterschiedliche queraxiale Durchmesser aufweist und - die Innenwand des Gehäuses mindestens eine axial druckwirksame Flache (2aλ) aufweist,
- eine in den Innenraum des Gehäuses führende, verschließbare Befullbohrung (11) , einen im Gehäuse axial verschieblich aufgenommenen Kolben (3) mit - mindestens einer axial druckwirksamen Flache (3aΛ) welche der axial druckwirksamen Flache des Gehäuses gegenüberliegt einer Außenkontur, die an die Innenwand des Gehäuses derart angepasst ist, dass teilweise Spielpassungen (6,7) mit fluiddrosselnder Wirkung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse ausgebildet sind
- mindestens eine Hydraulikkammer (9) , welche zwischen der mindestens einen axial druckwirksamen Flache des Kolbens und der mindestens einen axial druckwirksamen Flache des Gehäuses ausgebildet ist und jeweils an beiden Seiten mit den Spielpassungen verbunden ist, elastische Membranen (4, 5, 22) welche am Gehäuse derart befestigt sind, dass Speichervolumina (8, 10, 23) zwischen den elastischen Membranen und dem Gehäuse ausgebildet sind, wobei an jeder Stirnseite (Sl, S2) des hydraulischen Kompensationselements mindestens eine elastische Membrane (4,5) das Gehäuse mit dem Kolben verbindet.
2. Hydraulisches Kompensationselement nach Anspruch 1, mit zwei Hydraulikkammern (9, 20) , welche jeweils zwischen einer ersten axial ausgerichteten Fläche (3a ) des Kolbens und einer ersten axial ausgerichteten Flache (2aλ) des Gehäuses und zwischen einer zweiten axial druckwirksamen Fläche (3a' λ) des Kolbens und einer zweiten axial druckwirksamen Fläche des Gehäuses (2aΛ,> ausgebildet sind. \
3. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Gehäuse (2) mindestens eine Bohrung (14) aufweist welche die mindestens eine Hydraulikkammer (9, 20) und das mindestens eine Speichervolumen (8, 10, 23) verbindet und welche an ihrem einen Ende mit einem Rückschlagventil (15) verbunden ist mit dem der Fluidstrom durch die Bohrung einstellbar ist.
4. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kolben (3) mindestens eine Bohrung (16) aufweist welche die mindestens eine Hydraulikkammer (9,20) und das mindestens eine Speichervolumen (8, 10, 23) verbindet und welche an ihrem einen Ende mit einem Rückschlagventil (15) verbunden ist mit dem der Fluidstrom durch die Bohrung (16) kontrollierbar ist.
5. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der Ansprüche 3 oder 4, bei dem das Rückschlagventil (15) aufklappbar an eine axial druckwirksame Fläche (2a 3aλ) des Kolbens (3) und/oder des Gehäuses (2) befestigt ist.
6. Hydraulisches Kompensationselement nach Anspruch 4, bei dem das Rückschlagventil (15) eine ringförmige Platte ist.
7. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei dem die Befullbohrung (11a) mit einem Speichervolumen (8, 10, 23) verbunden ist.
8. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) elastische Metall- oder Kunststoffmembranen sind.
9. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) faserverstärkt sind.
10. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) mehrlagig ausgeführt sind.
11. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) eine Dickenvariation aufweisen.
12. Hydraulisches Kompensationselement nach Anspruch 9, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) jeweils unter- schiedlich vorgespannt sind.
13. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen, die sich von denen des Kolbens und / oder des Gehäuses unterscheiden .
14. Hydraulisches Kompensationselement nach Anspruch 13, bei dem die elastischen Membrane (4, 5, 22) jeweils unter- schiedliche Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen.
15. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kolben (3) und das Gehäuse (2) unterschiedliche Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen.
16. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels der elastischen Membrane (4, 5, 22) eine thermische Volumenänderung des im hydraulischen Kompensationselement befindlichen Fluids abfangbar ist.
17. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine elastische Membrane (22) als Hülse ausgebildet und an der Mantelfläche des Gehäuses (2) befestigt ist.
18. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kolben (3) eine axiale Bohrung (13) zur Durchführung von elektrischen Zuleitungen (K) aufweist.
19. Hydraulisches Kompensationselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch seine Spielpassungen (6, 7) und Hydraulikkammern (9, 20) eine hohe Steifigkeit gegenüber kurzzeitigen Kraftbeaufschlagungen erreichbar ist 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.
20. Verwendung eines hydraulischen Kompensationselements nach einem der Ansprüche 1 bis 19 in einem Injektor.
21. Verwendung nach Anspruch 20 in einem Common-Rail-Diesel- Injektor.
22. Dosiervorrichtung, welche ein hydraulisches Kompensationselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und eine Aktoreinheit (A) umfasst, wobei die Aktoreinheit mindes- tens einen Piezoaktor (P) umfasst und der Piezoaktor mit dem hydraulischen Kompensationselement verbunden ist.
23. Dosiervorrichtung nach Anspruch 22, bei der der Piezoaktor (P) an seinen beiden Enden mit Endkappen (El, E2) ver- sehen ist und eine Endkappe (E2) mit einer Ventilnadel (VN) und die andere Endkappe (El) mit dem Kolben (3) des hydraulischen Kompensationselement verbunden ist.
24. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, bei der der Piezoaktor (P) mittels einer an ihren beiden Enden fest mit den Endkappen (El, E2) verbundene Rohrfeder (C) druckvorgespannt ist.
25. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 23 oder 24, bei der elektrische Anschlüsse (K) durch eine axiale Bohrung (13) des hydraulischen Kompensationselements und durch Bohrungen der Endkappe (El) zum Piezoaktor (P) geführt sind.
26. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei der das Gehäuse (2) des hydraulischen Kompensations- elements fest, insbesondere mittels Schweißnähten (SN) , mit einem festen Lager (L) verbunden ist und relativ zum Piezoaktor (P) nicht beweglich ist.
27. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 26, bei der der Kolben des hydraulischen Kompensationselements an seiner einen Endkappe (El) mit einem Rückstellmechanis- mus verbunden ist.
28. Dosiervorrichtung nach Anspruch 27, bei der der Rück- Stellmechanismus eine Feder (F) ist.
29. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, bei der der Rückstellmechanismus ein Anschlag in der Form eines Ventilsitzes VS ist.
30. Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 29, bei der der Rückstellmechanismus als ein Anschlag in der Form einer Verjüngung des Gehäuses der Dosiervorrichtung realisiert ist.
1. Dosiervorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Endkappe E2 und der Anschlag jeweils Strukturen aufweisen, welche gegenseitig ein Schlüssel-Schloss Prinzip darstellen.
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