EP1111230B1

EP1111230B1 - Hydraulic device for transmitting an actuator movement

Info

Publication number: EP1111230B1
Application number: EP00127847A
Authority: EP
Inventors: Bernhard Dr. Gottlieb; Andreas Dr. Kappel; Randolf Dr. Mock; Bernhard Fischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: EP1111230A3; DE19962177A1; DE50008741D1; ES2228394T3; EP1111230A2

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung eines Aktors auf ein Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere zum Einsatz in einem Fluiddosierer. Eine solche Vorrichtung, im Weiteren auch als Übertragungselement bezeichnet, ist aus der DE 197 08 304 A1 und aus der US 4858439 bekannt.The invention relates to a hydraulic device for Transferring a movement of an actuator to an actuator according to the preamble of claim 1, in particular for use in a fluid dispenser. Such a device, hereinafter also referred to as a transmission element, is from DE 197 08 304 A1 and known from US 4858439.

In der Kraftfahrzeugtechnik werden zunehmend Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken gearbeitet wird. Bei solchen z. B. unter der Bezeichnung "Common-Rail-Systeme" bekannten Einspritzsystemen wird Kraftstoff unter hohem Druck an in den Zylindern der Brennkraftmaschine angeordneten Einspritzventile angelegt. Der Einspritzvorgang in den Zylinder wird durch Öffnen und Schließen der Einspritzventile ausgelöst, wobei die Einspritzventile über Aktoren angesteuert werden, die nach dem elektromagnetischen und, um hohe Schaltgeschwindigkeiten zu erreichen, auch nach dem piezoelektrischen, elektrostriktiven oder magnetostriktiven Prinzip arbeiten. Die Aktoren in den Einspritzventilen betätigen dabei, ggf. unter Zwischenschaltung eines Servoventils eine Ventilnadel im Einspritzventil.In automotive engineering, memory injection systems are increasingly used used in those with very high injection pressures is worked. In such z. B. under the name "Common rail systems" known injection systems Fuel under high pressure in the cylinders of the internal combustion engine arranged injection valves created. The Injection into the cylinder is done by opening and Closing the injectors triggered, the injectors can be controlled via actuators, which after the electromagnetic and to achieve high switching speeds achieve, even after the piezoelectric, electrostrictive or magnetostrictive principle. The actuators in the Actuate injectors, if necessary with the interposition of a servo valve a valve needle in the injection valve.

An ein serientaugliches Kraftstoffeinspritzventil werden insbesondere folgende Anforderungen gestellt:In particular, a series-compatible fuel injector the following requirements:

Die Ventilnadel soll in dem Einspritzventil entweder unbelastet angeordnet sein oder mit einer druckabhängigen Kraft belastet werden. Falls ein steigender Kraftstoffdruck an der Ventilnadel anliegt, ist zu gewährleisten, dass die Ventilnadel zum Sicherstellen einer ausreichenden Dichtheit mit steigenden Kraftstoffdruck immer fester auf den Ventilsitz gepresst wird. The valve needle should either be unloaded in the injection valve be arranged or loaded with a pressure-dependent force become. If an increasing fuel pressure at the Valve needle is in contact with the valve needle to ensure sufficient tightness with increasing Fuel pressure pressed ever more firmly onto the valve seat becomes.

Weiterhin soll das Einspritzventil unempfindlich gegen thermische oder druckinduzierte Längendehnungen sein. Auch soll die Funktionsfähigkeit des Einspritzventils nicht durch Setzeffekte, die z. B. durch Alterungsprozesse des Aktors ausgelöst werden können, beeinträchtigt werden. Um Längenänderungen im Einspritzventil, die durch thermische, Druck- oder Setzeffekte hervorgerufen werden, zu verhindern, werden üblicherweise die Ventilnadel bzw. die weiteren Bauteile im Einspritzventil aus Spezialstählen gefertigt, die jedoch sehr kostspielig sind. Weiterhin ist es auch beim Einsatz solcher kostspieliger Spezialstähle notwendig, zwischen den einzelnen Bauteilen einen ausreichenden Abstand vorzusehen, um eventuelle Längendehnungen zwischen den Bauteilen aufnehmen zu können. Dieser notwendige Sicherheitsabstand von 3 µm bis 5 µm geht jedoch als nutzbarer Hub des Aktors verloren, was insbesondere beim Einsatz eines Piezo-Aktors, der nur einen kleinen Hub hervorbringt, zu Problemen beim Öffnen der Ventilnadel führen kann.Furthermore, the injection valve is said to be insensitive to thermal or pressure-induced elongations. Also supposed to the functionality of the injector Setting effects that e.g. B. by aging processes of the actuator can be triggered, impaired. To changes in length in the injection valve caused by thermal, pressure or set effects are prevented usually the valve needle or the other components in the Injector made from special steels, but very are expensive. Furthermore, it is also when using such expensive special steels necessary between the individual Provide sufficient clearance between components to prevent any To be able to absorb elongations between the components. This necessary safety distance of 3 µm to 5 µm however, is lost as a usable stroke of the actuator, which in particular when using a piezo actuator that is only a small one Causes problems when opening the valve needle can lead.

Um keinen Spalt zwischen den einzelnen Bauteilen im Einspritzventil vorsehen zu müssen, wird in der DE 197 08 304 A1 ein hydraulisches Übertragungselement vorgeschlagen, das die Auslenkung des Aktors im Einspritzventil auf einen Antriebsstempel des Servoventils bzw. einen Führungsschaft der Ventilnadel überträgt. Das hydraulische Übertragungselement ist dabei im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine Hydraulikkammer auf, die von einer flexiblen Membran begrenzt ist. An der flexiblen Membran liegt der Antriebsstempel des Servoventils bzw. der Führungsschaft der Ventilnadel an. Von der Hydraulikkammer führt eine Verbindungsbohrung mit Drosselwirkung zu einer Speicherkammer, die im Inneren des Übertragungselement vorgesehen ist und durch eine vorgespannte Federplatte abgeschlossen wird. Über die Federplatte ist in der Hydraulikkammer eine starre Abdeckplatte angeordnet, die am Aktor des Einspritzventils anliegt. Die Hydraulikkammer und die Speicherkammer sind mit einem hydraulischen Medium gefüllt. No gap between the individual components in the injection valve To have to provide, is DE 197 08 304 A1 proposed a hydraulic transmission element that the Deflection of the actuator in the injection valve on a drive stamp of the servo valve or a guide shaft of the Valve needle transmits. The hydraulic transmission element is essentially cylindrical and has a hydraulic chamber made by a flexible membrane is limited. The drive stamp is located on the flexible membrane the servo valve or the guide shaft of the Valve needle on. A connecting hole leads from the hydraulic chamber with throttling effect to a storage chamber, the is provided inside the transmission element and by a preloaded spring plate is completed. About the Spring plate is a rigid cover plate in the hydraulic chamber arranged, which rests on the actuator of the injection valve. The hydraulic chamber and the storage chamber are equipped with a hydraulic Medium filled.

Im Ruhezustand wird über die Verbindungsbohrung der in der Speicherkammer herrschende Druck des hydraulischen Mediums auf die Hydraulikkammer übertragen, so dass die flexible Membran immer am Antriebsstempel des Servoventils bzw. am Führungsschaft der Ventilnadel anliegt, auch wenn sich aufgrund thermischer Effekte oder Alterungsprozesse Verschiebungen der Anordnung der einzelnen Komponenten im Kraftstoffeinspritzventil ergeben. Bei einer Betätigung des Aktors wird die Auslenkung dieses Aktors über das Übertragungselement im Wesentlichen unverändert auf den Antriebsstempel des Servoventils bzw. den Führungsschaft der Ventilnadel übertragen. Die Verbindungsbohrung zwischen der Hydraulikkammer und der Speicherkammer ist hierbei so ausgelegt, dass aufgrund der im Bereich von Millisekunden liegenden Ansteuerzeiten im Wesentlichen kein hydraulisches Medium aus der Hydraulikkammer in die Speicherkammer abfließen kann.In the idle state, the in the Storage chamber prevailing pressure of the hydraulic medium transferred to the hydraulic chamber so that the flexible membrane always on the drive stamp of the servo valve or on the guide shaft the valve needle is in contact, even if due to thermal effects or aging processes Arrangement of the individual components in the fuel injector result. When the actuator is actuated, the deflection this actuator via the transmission element essentially unchanged on the drive stamp of the servo valve or transfer the guide shaft of the valve needle. The connecting hole between the hydraulic chamber and the storage chamber is designed so that due to the in the area of control times in milliseconds essentially no hydraulic medium from the hydraulic chamber into the Storage chamber can drain.

Das aus der DE 197 08 304 A1 bekannte Übertragungselement zeichnet sich jedoch durch einen komplizierten Aufbau aus. Weiterhin ist es mit diesem bekannten Übertragungselement schwierig, eine Temperaturkompensation über den gesamten Arbeitsbereich des Kraftstoffeinspritzventils von ca. -40°C bis +150°C zu gewährleisten. In diesem großen Temperaturbereich kann es zu einer Änderung des Volumens des im Übertragungselement eingesetzten hydraulischen Mediums von bis zu 20 % kommen. Eine solche große Volumenschwankung lässt sich jedoch nur sehr schwer von dem in der DE 197 08 304 A1 gewählten Aufbau bewältigen.The transmission element known from DE 197 08 304 A1 is characterized by a complicated structure. Furthermore, it is with this known transmission element difficult, temperature compensation over the entire working area of the fuel injection valve from approx. -40 ° C to Ensure + 150 ° C. In this wide temperature range there may be a change in the volume of the transfer element hydraulic medium of up to 20% come. Such a large fluctuation in volume can, however very difficult of that chosen in DE 197 08 304 A1 Cope with construction.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine spielfreie hydraulische Vorrichtung zum Übertragen einer Bewegung eines Aktors auf ein Stellglied bereitzustellen, die sich durch eine große Zuverlässigkeit bei hohen Dauerbelastungen und starken Temperaturschwankungen auszeichnet. The object of the present invention is to ensure that there is no play hydraulic device for transmitting a movement of a Provide actuator on an actuator, which is characterized by a great reliability with high permanent loads and strong ones Temperature fluctuations.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a device according to claim 1 solved. Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch ein Übertragungselement aus, das ein erstes Kolbenelement, das fest mit einem Aktor verbunden ist, und ein zweites Kolbenelement, das fest mit einem Stellglied verbunden ist, aufweist, wobei zwischen dem ersten Kolbenelement und dem zweiten Kolbenelement eine Hydraulikkammer ausgebildet ist, und wobei eine mit der Hydraulikkammer über einen Drosselspalt verbundene Speicherkammer einen druckbelasteten Bereich umfasst, dessen Bereichsgrenzen elastisch ausgebildet sind. Dieser Aufbau gewährleistet zuverlässig eine selbsttätige Kompensation großer Abstandsänderungen zwischen dem Aktor und dem Stellglied, die durch thermische Druck- oder Setzeffekte hervorgerufen werden können. Darüber hinaus wird durch die elastische Auslegung eines Speicherkammerbereiches gewährleistet, dass das Übertragungselement über einen weiten Temperaturbereich, insbesondere den gesamten Arbeitsbereich eines Kraftstoffeinspritzventils von ca. -40°C bis +150°C funktionsfähig bleibt. Das erfindungsgemäße Übertragungselement kann darüber hinaus sowohl in einem nach innen als auch nach außen sich öffnenden Kraftstoffeinspritzventil eingesetzt werden. Weiterhin zeichnet sich das Übertragungselement durch eine sehr kompakte Bauform, einen sehr hohen hydromechanischen Übertragungswirkungsgrad und hervorragende dynamische Übertragungseigenschaften aus, da nur eine sehr kleine Hydraulikkammer zwischen dem ersten und dem zweiten Kolbenelement benötigt wird.The device according to the invention is characterized by Transmission element, which is a first piston element, the is firmly connected to an actuator, and a second piston element, which is firmly connected to an actuator, being between the first piston element and the second Piston element is a hydraulic chamber, and one with the hydraulic chamber via a throttle gap connected storage chamber comprises a pressure-loaded area, whose range limits are elastic. This structure reliably ensures an automatic Compensation for large changes in distance between the actuator and the actuator caused by thermal pressure or setting effects can be caused. In addition, the ensures elastic design of a storage chamber area, that the transmission element over a wide temperature range, especially the entire work area of a Functional fuel injector from approx. -40 ° C to + 150 ° C remains. The transmission element according to the invention can also be both inward and inward outside opening fuel injector used become. Furthermore, the transmission element is characterized by a very compact design, a very high hydromechanical Transmission efficiency and excellent dynamic Transmission properties from, since only a very small hydraulic chamber between the first and the second piston element is needed.

Gemäß der Erfindung ist der elastische Speicherkammerbereich durch eine Federbalganordnung, vorzugsweise bestehend aus Metallbälgen, begrenzt. Solche Metallbälge sind radial sehr steif, in axiale Richtung jedoch sehr weich ausgelegt und können somit zuverlässig Volumenänderungen in der im Übertragungselement enthaltenen Hydraulikflüssigkeit aufnehmen.According to the invention, the elastic Storage chamber area by a bellows arrangement, preferably consisting of metal bellows, limited. Such metal bellows are very stiff radially, but very stiff in the axial direction soft design and can therefore reliably change volume in the hydraulic fluid contained in the transmission element take up.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Aktor von einem Federelement vorgespannt, das fest mit dem ersten Kolbenelement des Übertragungselements verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine Rückstellfeder, die das Stellglied nach Ende der Ansteuerung des Aktors in seine Ausgangsstellung zurücksetzt, klein dimensioniert werden, da die Funktion der Rückstellfeder durch die Rückziehbewegung des Aktors, die über das Übertragungselement auf das Stellglied wirkt, unterstützt wird.According to a further preferred embodiment, the actuator biased by a spring element that is fixed to the first Piston element of the transmission element is connected. With this configuration, a return spring that Actuator in its starting position after actuation of the actuator has ended resets, small dimensions, because the Function of the return spring by the retracting movement of the Actuator via the transmission element to the actuator works, is supported.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann durch geeignete Wahl der Größenverhältnisse der druckwirksamen Flächen des ersten Kolbenelements und des zweiten Kolbenelements eine Hubübersetzung der Aktorbewegung auf das Stellglied erfolgen. Hierdurch wird erreicht, dass auch beim Einsatz eines Piezoelements als Aktor ein ausreichender Hub zum Betätigen des Stellgliedes erzeugt wird.According to a further preferred embodiment, by suitable choice of the proportions of the pressure-effective areas of the first piston element and the second piston element a stroke translation of the actuator movement to the actuator. This ensures that even when using a Piezo element as an actuator a sufficient stroke for actuation of the actuator is generated.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: ein nach außen sich öffnendes Kraftstoffeinspritzventil mit einem erfindungsgemäßen hydraulischen Übertragungselement in einer ersten Ausführungsform;
Figur 2: ein nach innen sich öffnendes Kraftstoffeinspritzventil mit einem erfindungsgemäßen hydraulischen Übertragungselement in der ersten Ausführungsform; und
Figur 3: ein nach außen sich öffnendes Kraftstoffeinspritzventil mit einem erfindungsgemäßen hydraulischen Übertragungselement in einer zweiten Ausführungsform.

The invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

Figure 1: an outwardly opening fuel injection valve with a hydraulic transmission element according to the invention in a first embodiment;
Figure 2: an inward opening fuel injection valve with a hydraulic transmission element according to the invention in the first embodiment; and
Figure 3: an outwardly opening fuel injection valve with a hydraulic transmission element according to the invention in a second embodiment.

Das in Figur 1 gezeigte Kraftstoffeinspritzventil, das sich nach außen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine öffnet, wird mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff betrieben. Bei diesem Einspritzventil ist im oberen Teil eines Gehäuses 1 eine Antriebseinheit eingebaut, die als wesentliches Bauteil einen piezoelektrischen Multilayeraktor 8 in Niedervolttechnik aufweist. Dieser piezoelektrische Multilayeraktor 8 ist von einer Rohrfeder 9 umgeben, die zwischen einer Kopfplatte 10 und einer Fußplatte 11 eingeschweißt ist, wobei die Rohrfeder 9 so vorgespannt ist, das der piezoelektrische Multilayeraktor 8 unter einer mechanischen Druckvorspannung steht. Das Gehäuse 1 ist weiterhin mit einer Fußplatte 11 der Antriebseinheit möglichst steif, vorzugsweise über eine Schweißnaht 12, verbunden.The fuel injector shown in Figure 1, which opens out into a combustion chamber of an internal combustion engine, is operated with fuel under high pressure. This injector is in the upper part of a housing 1 installed a drive unit that is essential Component a piezoelectric multilayer actuator 8 in low voltage technology having. This piezoelectric multilayer actuator 8 is surrounded by a tube spring 9, which is between a head plate 10 and a base plate 11 is welded, the Bourdon tube 9 is biased so that the piezoelectric multilayer actuator 8 under a mechanical pressure preload stands. The housing 1 is also with a base plate 11 of the Drive unit as stiff as possible, preferably via a Weld 12, connected.

Der piezoelektrische Multilayeraktor 8 wirkt, wenn er elektrisch über seine Zuleitungen 19 angesteuert wird, über ein hydraulisches Übertragungselement auf das hintere Ende einer Ventilnadel 3 ein. Die Ventilnadel 3 ist im vorderen Teil des Gehäuses 1 des Einspritzventils in einer durchgehenden Innenbohrung 30 angeordnet und verschließt im Ruhezustand mit einem am vorderen Ende der Ventilnadel 3 angeordneten Ventiltellers 4 einem Ventilsitz 2 am Gehäuse 1. Der geschlossene Ausgangszustand im Einspritzventil wird dabei durch eine vorgespannte Düsenfeder 5 gewährleistet, die mit der Ventilnadel 3 über einen Sprengring 6 verbunden ist und den Ventilteller 4 auf den Ventilsitz 2 drückt. Bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 hebt die vom übertragungselement auf das hintere Ende der Ventilnadel 3 übertragene Auslenkung den Ventilteller 4 vom Ventilsitz 2 ab, so dass Kraftstoff, der in eine Kraftstoffkammer 13 im Gehäuse 1 über eine Kraftstoffzuleitung 7 eingespeist wird, an der Ventilnadel 3 vorbei in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. The piezoelectric multilayer actuator 8 acts when it is electrical is controlled via its feed lines 19, via a hydraulic transmission element on the rear end of a Valve needle 3 on. The valve needle 3 is in the front part of the Housing 1 of the injection valve in a continuous inner bore 30 arranged and closes with one at rest at the front end of the valve needle 3 arranged valve plate 4 a valve seat 2 on the housing 1. The closed one The initial state in the injection valve is prestressed Nozzle spring 5 ensures that with the valve needle 3 is connected via a snap ring 6 and the valve plate 4 presses on valve seat 2. When the piezoelectric Multilayer actuator 8 lifts the transmission element transferred to the rear end of the valve needle 3 Deflection the valve plate 4 from the valve seat 2, so that Fuel that into a fuel chamber 13 in the housing 1 a fuel supply line 7 is fed in on the valve needle 3 injected past into the combustion chamber of the internal combustion engine can be.

Da der Kraftstoff unter sehr hohem Druck in der Kraftstoffkammer 13 im Gehäuse 1 steht, muss dieser Bereich zuverlässig von den übrigen Bereichen im Gehäuse 1 des Einspritzventils, insbesondere von dem Antriebsbereich abgedichtet sein. Zur hermetisch dichten und axial sehr weichen Durchführung der Ventilnadel 3 aus der Kraftstoffkammer 13 in den Bereich, in dem das Übertragungselement und das Antriebseinheit eingebaut sind, dient ein Metallbalg 15. An die Kraftstoffkammer 13 grenzt ein ringförmiger Absatz 14 an, der in die Innenbohrung 30 hineinragt. An der Ventilnadel 3 ist weiterhin ein ringförmiges Anschlussstück 16 angebracht. Zwischen dem Anschlussstück 16 an der Ventilnadel 3 und dem ringförmig umlaufenden Absatz 14 im Gehäuse 1 ist der parallel zur Ventilnadel 3 verlaufende Metallbalg 15 eingeschweißt, der zur hermetischen Abdichtung der Kraftstoffkammer 13 gegenüber den weiteren Gehäusebereichen, in denen sich die Antriebseinheit und das Übertragungselement befindet, dient. Weiterhin wird die Ventilnadel 3 durch den Metallbalg 15 gegen Verdrehen gesichert. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn ein hubbegrenzender Anschlag für die Ventilnadel 3 in das Kraftstoffeinspritzventil eingebaut ist.Because the fuel is under very high pressure in the fuel chamber 13 in housing 1, this area must be reliable from the other areas in the housing 1 of the injection valve, in particular be sealed by the drive area. to hermetically sealed and axially very soft implementation of the Valve needle 3 from the fuel chamber 13 in the area in which the transmission element and the drive unit installed are a metal bellows 15. To the fuel chamber 13th adjoins an annular shoulder 14, which in the inner bore 30 protrudes. On the valve needle 3 there is still an annular one Connector 16 attached. Between the connector 16 on the valve needle 3 and the annular circumferential Paragraph 14 in the housing 1 is parallel to the valve needle 3 running metal bellows 15 welded to the hermetic Sealing the fuel chamber 13 against the other housing areas in which the drive unit and the transmission element is used. Will continue the valve needle 3 secured by the metal bellows 15 against rotation. This can be particularly advantageous if a stroke-limiting stop for the valve needle 3 in the Fuel injector is installed.

Der Einsatz des Metallbalgs 15 zur Nadeldurchführung ermöglicht eine perfekte, dauerhafte und zuverlässige Abdichtung des Hochdruckbereichs im Einspritzventil gegenüber den übrigen Bereichen. Der Metallbalg 15 hält, wie Berechnungen und Versuche gezeigt haben, trotz geringer Wandstärken von bspw. 50 µm bis 500 µm aufgrund seiner hohen radialen Steifigkeit sehr hohen Drücken stand, ohne irreversibel verformt zu werden. Der Metallbalg 15 kann weiterhin so ausgelegt werden, dass durch eine hinreichende Anzahl von Wellen eine hohe axiale Nachgiebigkeit, d. h. geringe Federrate in Bewegungsrichtung der Ventilnadel 3 erreicht wird, um die Auslenkung der Ventilnadel 3 nicht zu beeinträchtigen und um die durch temperaturbedingte Längenänderungen der Nadeldurchführung in die Ventilnadel 3 eingeleiteten Kräfte so gering wie möglich zu halten. Weiterhin kann durch den Einsatz des Metallbalgs 15 in der Nadeldurchführung mit hoher Zuverlässigkeit eine Kraftstoffleckage verhindert werden.The use of the metal bellows 15 enables the passage of needles a perfect, permanent and reliable seal the high pressure area in the injection valve compared to the rest Areas. The metal bellows 15 holds, like calculations and Tests have shown, despite small wall thicknesses of e.g. 50 µm to 500 µm due to its high radial rigidity very high pressures without being irreversibly deformed. The metal bellows 15 can also be designed that by a sufficient number of waves a high one axial compliance, d. H. low spring rate in the direction of movement the valve needle 3 is reached to the deflection not to affect the valve needle 3 and by the temperature-related changes in length of the needle guide in the valve needle 3 forces introduced as low as possible to keep. Furthermore, by using the metal bellows 15 in the needle feedthrough with high reliability Fuel leakage can be prevented.

Die Nadeldurchführung aus ringförmiger Absatz 14, Metallbalg 15 und Anschlussstück 16 kann weiterhin so ausgestaltet werden, dass die auf die Ventilnadel 3 wirkenden druckbedingten Kräfte sich gegenseitig kompensieren, so dass die Ventilnadel 3 insgesamt kraftfrei gehalten wird. Dies ermöglicht es, das Einspritzventil so auszulegen, dass ein vom Kraftstoffdruck nahezu unabhängiges Schaltverhalten möglich wird, da die Öffnungs- und Schließkräfte dann allein vom piezoelektrischen Multilayeraktor 8 und der Kraft der vorgespannten Düsenfeder 5 bestimmt werden.The needle feed-through from annular shoulder 14, metal bellows 15 and connector 16 can also be designed such that the pressure-related acting on the valve needle 3 Forces compensate each other so that the valve needle 3 is kept force-free overall. This enables the Design the injector so that one of the fuel pressure almost independent switching behavior is possible because the opening and closing forces then only from the piezoelectric Multilayer actuator 8 and the force of the preloaded nozzle spring 5 can be determined.

Andererseits kann die aus dem ringförmigen Absatz 14, dem Metallbalg 15 und dem Anschlussstück 16 gebildete Ventilnadeldurchführung auch so ausgelegt werden, dass sich eine mit steigendem Kraftstoffdruck in der Kraftstoffkammer 13 zunehmende Kraft ergibt, mit welcher der Ventilteller 4 in den Ventilsitz 2 gedrückt wird. Durch Wahl des hydraulischen Durchmessers, der durch den Absatz 14, den Metallbalg 15 und das Anschlussstück 16 festgelegt ist, besteht somit die Möglichkeit, die Ventilnadel 3 des Injektors in der gewünschten Weise druckkräftemäßig, d. h. völlig druckkräftefrei, überkompensiert oder unterkompensiert zu halten.On the other hand, that of the annular shoulder 14, the metal bellows 15 and the connecting piece 16 formed valve needle bushing can also be designed so that one with increasing fuel pressure in the fuel chamber 13 increasing Force results with which the valve plate 4 in the Valve seat 2 is pressed. By choosing the hydraulic Diameter through the paragraph 14, the metal bellows 15 and the connector 16 is fixed, there is thus the possibility the valve needle 3 of the injector in the desired Wise pressure, d. H. completely free of pressure forces, overcompensated or keep undercompensated.

Der Metallbalg 15 verfügt weiterhin aufgrund seines metallischen Werkstoffes über einen weiten Arbeitstemperaturbereich mit gleichbleibender Funktionsfähigkeit. Die thermischen Längenänderungen des Metallbalgs 15 selbst führen aufgrund der niedrigen axialen Federkonstante des Metallbalgs 15 nur zu einer vernachlässigbar geringen Krafteinleitung in die Ventilnadel 3 in axialer Richtung. Der Metallbalg 15 kann darüber hinaus aufgrund seiner mechanischen Federwirkung in axialer Richtung auch die Düsenfeder 5 teilweise oder vollständig ersetzen. The metal bellows 15 still has due to its metallic Material over a wide working temperature range with constant functionality. The thermal changes in length of the metal bellows 15 lead due to the low axial spring constant of the metal bellows 15 only to a negligible introduction of force into the valve needle 3 in the axial direction. The metal bellows 15 can over it addition due to its mechanical spring action in Axial direction, the nozzle spring 5 partially or completely replace.

Um den Hub des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 auf die Ventilnadel 3 zu übertragen, ist das Übertragungselement zwischen der Antriebseinheit und der Ventilnadel 3 vorgesehen. Dieses Übertragungselement dient dabei primär als hydraulisches Spielausgleichselement, um jegliches Spiel zwischen dem piezoelektrischen Multilayeraktor 8 und der Ventilnadel 3 auszuschließen. Weiterhin kann mit dem Übertragungselement eine Hubübersetzung erfolgen.To the stroke of the piezoelectric multilayer actuator 8 on the To transmit valve needle 3, the transmission element is between the drive unit and the valve needle 3 are provided. This transmission element serves primarily as a hydraulic one Game balancing element to prevent any game between the piezoelectric multilayer actuator 8 and the valve needle 3 excluded. Furthermore, with the transmission element a stroke translation take place.

Das Übertragungselement weist einen Primärkolben 21 und einen Sekundärkolben 23 auf, die in einem an den ringförmigen Absatz 14 im Gehäuse 1 angrenzenden Bohrungsabschnitt angeordnet sind. Dieser Bohrungsabschnitt ist zweistufig ausgebildet, mit einem ersten, sich an die Antriebseinheit anschließenden breiteren Bohrungsabschnitt 31, in dem der Primärkolben 21 sitzt und einem zweiten schmäleren Bohrungsabschnitt 32, der an den Anschlag 14 im Gehäuse 1 angrenzt und in dem der Sekundärkolben 23 angeordnet ist. Der Primärkolben 21 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und an der Kopfplatte 10 der Antriebseinheit angebracht oder bevorzugt fest über eine Verschweißung mit dieser verbunden. Vorzugsweise bestehen die Kopfplatte 10 und der Primärkolben aus einem Teil. Der Sekundärkolben 23 ist als Hohlzylinder ausgebildet und auf das hintere Ende der Ventilnadel 3 aufgesteckt, wobei die dem Primärkolben 21 zugewandte Stirnfläche des Sekundärkolbens 23 im Wesentlichen plan zur Endfläche der Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 und der Sekundärkolben 23 sind ebenfalls bevorzugt über eine Verschweißung fest, zumindest aber spielfrei und mechanisch möglichst steif miteinander verbunden.The transmission element has a primary piston 21 and one Secondary piston 23, which in a to the annular shoulder 14 arranged in the housing 1 adjacent bore section are. This bore section is of two stages, with a first, following the drive unit wider bore section 31 in which the primary piston 21 sits and a second narrower bore section 32, which is adjacent to the stop 14 in the housing 1 and in which the secondary piston 23 is arranged. The primary piston 21 is essentially cylindrical and on the top plate 10 attached to the drive unit or preferably fixed over a weld connected to this. Preferably exist the head plate 10 and the primary piston from one part. The secondary piston 23 is designed as a hollow cylinder and plugged onto the rear end of the valve needle 3, the the end face of the secondary piston facing the primary piston 21 23 essentially flat to the end surface of the valve needle 3 is arranged. The valve needle 3 and the secondary piston 23 are also preferably fixed via a weld, at least but without play and mechanically as stiff as possible connected.

Der Primärkolben 21 und der Sekundärkolben 23 sind weiterhin so voneinander beabstandet, dass zwischen den sich gegenüberliegenden Stirnflächen im Bereich des Übergangs vom ersten Bohrungsabschnitt 31 zum zweiten Bohrungsabschnitt 32 eine Hydraulikkammer 22 ausgebildet ist. Weiterhin ist im Übertragungselement eine zweiteilige Speicherkammer 24 vorgesehen, die einen ersten Speicherkammerbereich 241 in der Innenbohrung 30 aufweist, der durch die untere Stirnfläche des Sekundärkolbens 23 und durch das Anschlussstück 16 des Metallbalgges 15 an der Ventilnadel 3 begrenzt wird. Dieser erste Speicherkammerbereich 241 ist über eine im Gehäuse 1 ausgebildete ungedrosselte Verbindungsbohrung 223 an einen zweiten Speicherkammerbereich 242 angeschlossen, der in den ersten Bohrungsabschnitt 31 angrenzenden Gehäusebereich 34 um die Antriebseinheit herum angeordnet ist. Der zweite Speicherkammerbereich 242 wird durch zwei konzentrisch zueinander angeordnete Federbälge 25, 26 und einem Druckring 27 begrenzt, der wiederum von einer Druckfeder 28 gehalten wird, die an einer Lochplatte 29 im Gehäusebereich 34 abgestützt ist. Der innenliegende Federbalg 25 ist dabei zwischen die Innenseite des Druckrings 27 und der hinteren Stirnfläche des Primärkolbens 21, die aus dem ersten Bohrungsabschnitt 31 heraussteht, eingeschweißt. Der außenliegende Federbalg 26 ist an die Außenseite des Druckrings 27 und an eine an den ersten Bohrungsabschnitt 31 angrenzende Gehäusestufe 30 angeschweißt. In der Gehäusestufe 30 zwischen den beiden Federbälgen 25, 26 mündet die Verbindungsbohrung 223.The primary piston 21 and the secondary piston 23 are still spaced from each other so that between the opposite End faces in the area of the transition from the first Bore section 31 to the second bore section 32 a Hydraulic chamber 22 is formed. Furthermore is in the transmission element a two-part storage chamber 24 is provided, a first storage chamber area 241 in the inner bore 30 has that through the lower end face of the secondary piston 23 and through the connector 16 of the metal bellows 15 is limited to the valve needle 3. This first storage chamber area 241 is formed in the housing 1 unthrottled connection bore 223 to a second storage chamber area 242 connected in the first bore section 31 adjacent housing area 34 around the drive unit is arranged around. The second storage chamber area 242 is arranged by two concentric to each other Bellows 25, 26 and a pressure ring 27 limited, which in turn is held by a compression spring 28 which a perforated plate 29 is supported in the housing area 34. The Inner bellows 25 is between the inside of the pressure ring 27 and the rear face of the primary piston 21, which protrudes from the first bore section 31, shrink wrapped. The outer bellows 26 is on the outside of the pressure ring 27 and to one of the first bore section 31 adjacent housing stage 30 welded. In the housing stage 30 between the two bellows 25, 26 opens the connection bore 223.

Die Hydraulikkammer 22 und die Speicherkammer 24 stehen über einen Drosselspalt 36, der zwischen der Umfangswandung des Sekundärkolbens 23 und der Innenwandung des zweiten Bohrungsabschnitts 32 ausbildet ist, und über einen Drosselspalt 37, der zwischen der Umfangswandung des Primärkolbens 21 und der Innenwandung des ersten Bohrungsabschnittes 31 ausgebildet ist, miteinander in Verbindung. Weiterhin ist der gesamte Innenraum des Übertragungselements mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt, die unter einem geringen Überdruck steht, der durch die Druckfeder 28 erzeugt wird, die über den Druckring 27 den zweiten Speicherkammerbereich 242 beaufschlagt. Vor dem Befüllen des Innenraums des Übertragungselements mit Hydraulikflüssigkeit wird diese Hydraulikflüssigkeit entgast, um eventuell vorhandene Gasbläschen in der Flüssigkeit aufzulösen.The hydraulic chamber 22 and the storage chamber 24 protrude a throttle gap 36 which between the peripheral wall of the Secondary piston 23 and the inner wall of the second bore section 32 is formed, and via a throttle gap 37, the between the peripheral wall of the primary piston 21 and the Inner wall of the first bore section 31 is formed is in communication with each other. Furthermore, the entire interior the transmission element with a hydraulic fluid filled, which is under a slight positive pressure, the is generated by the compression spring 28, which over the pressure ring 27 acts on the second storage chamber area 242. In front filling the interior of the transmission element with hydraulic fluid this hydraulic fluid is degassed, to dissolve any gas bubbles in the liquid.

Das Einspritzventil mit dem Übertragungselement arbeitet wie folgt:The injection valve with the transmission element works like follows:

Zur Einleitung des Einspritzvorgangs wird der piezoelektrische Multilayeraktor 8 über die elektrischen Zuleitungen 19 geladen. Dies bewirkt, dass der piezoelektrische Multilayeraktor 8 sich axial auslenkt und über die Kopfplatte 10 den Primärkolben 21 nach unten in den ersten Bohrungsabschnitt 31 hinein schiebt.The piezoelectric is used to initiate the injection process Multilayer actuator 8 via the electrical feed lines 19 loaded. This causes the piezoelectric multilayer actuator 8 deflects axially and via the top plate 10 Primary piston 21 down into the first bore section 31 pushes in.

Beim Übertragungselement sind der Drosselspalt 36 am Sekundärkolben 23 und der Drosselspalt 37 am Primärkolben 21, die eine Verbindung zwischen der Hydraulikkammer 22 und der Speicherkammer 24 herstellen, so dimensioniert, dass während der typischen Ansteuerzeiten des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 von 1 bis 5 ms nur ein verschwindend geringer Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen der Hydraulikkammer 22 und der Speicherkammer 24 stattfinden kann. Dies bedeutet, dass das Volumen der Hydraulikflüssigkeit während der Einspritzzeit nur durch die Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit bestimmt ist, und die Hydraulikkammer 22 somit als steifer Kolben betrachtet werden kann. Die Federkonstante c der Hydraulikkammer 22 lässt sich dabei wie folgt abschätzen. κ = -1/V * δ und V = A*H ⇒ dP = -1/ (κ V) * A dh

κ:: Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit
V:: Volumen der Hydraulikkammer
P:: Druck
A:: Querschnittsfläche der Hydraulikkammer
h:: Höhe der Hydraulikkammer

mit dF = dP/A ⇒ dF = -1/(κ V) A2dh F: Kraft
ergibt sich c = -dF/dh ⇒ c = A/ (κ h) In the transmission element, the throttle gap 36 on the secondary piston 23 and the throttle gap 37 on the primary piston 21, which establish a connection between the hydraulic chamber 22 and the storage chamber 24, are dimensioned such that during the typical activation times of the piezoelectric multilayer actuator 8 from 1 to 5 ms only one vanishing little exchange of hydraulic fluid between the hydraulic chamber 22 and the storage chamber 24 can take place. This means that the volume of the hydraulic fluid during the injection time is only determined by the compressibility of the hydraulic fluid, and the hydraulic chamber 22 can thus be regarded as a rigid piston. The spring constant c of the hydraulic chamber 22 can be estimated as follows. κ = -1 / V * δ and V = A * H ⇒ dP = -1 / (κ V) * A ie

κ:: Hydraulic fluid compressibility
V:: Volume of the hydraulic chamber
P:: print
A:: Cross-sectional area of the hydraulic chamber
H:: Hydraulic chamber height

With dF = dP / A ⇒ dF = -1 / (κ V) A 2 ie F: strength
surrendered c = -dF / dh ⇒ c = A / (κ h)

Die obige Gleichung zeigt, dass die Federkonstante c der Hydraulikkammer 22 um so größer ist, je geringer deren Höhe und je größer deren wirksame Querschnittsfläche ist. Simulationsrechnungen haben weiterhin gezeigt, dass mit thermischen und druckinduzierten Ausdehnungen von maximal 50 µm zu rechnen ist. Um die Hydraulikkammer 22 als steifen Kolben betrachten zu können, sollte die Federkonstante c der Hydraulikkammer 22 im Bereich von 10⁸ N/m oder höher liegen. Dies heißt, dass, unter der Annahme, dass die Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit κ ca. 10 * 10^-10 m²/N ist, was einem typischen Wert für eine Hydraulikflüssigkeit entspricht, der gewünschte Wert für die Federkonstante c z. B. mit einer Querschnittsfläche von 1 cm² und einer Höhe von 0,1 cm erreicht werden kann. Die genaue Auslegung der Höhe und Querschnittsfläche der Hydraulikkammer 22 kann jedoch jeweils an die Gegebenheiten im Einspritzventil angepasst werden, um eine kompakte Bauform zu erreichen.The above equation shows that the spring constant c of the hydraulic chamber 22 is greater, the lower its height and the larger its effective cross-sectional area. Simulation calculations have also shown that thermal and pressure-induced expansion of a maximum of 50 µm can be expected. In order to consider the hydraulic chamber 22 as a rigid piston, the spring constant c of the hydraulic chamber 22 should be in the range of 10 ⁸ N / m or higher. This means that, assuming that the compressibility of the hydraulic fluid κ is approximately 10 * 10 ^-10 m ² / N, which corresponds to a typical value for a hydraulic fluid, the desired value for the spring constant c z. B. can be achieved with a cross-sectional area of 1 cm ² and a height of 0.1 cm. The exact design of the height and cross-sectional area of the hydraulic chamber 22 can, however, be adapted to the conditions in the injection valve in order to achieve a compact design.

Durch die Auslegung der Hydraulikkammer 22 als steifer Kolben wird die Bewegung des Primärkolbens 21, die vom piezoelektrischen Multilayeraktor 8 ausgelöst wird, verlustarm direkt auf den Sekundärkolben 23 übertragen. Die Bewegung des Sekundärkolbens 23 wird dabei nur geringfügig von der sich im ersten Speicherkammerbereich 241 befindenden Hydraulikflüssigkeit gedämpft, da die überschüssige Hydraulikflüssigkeit aufgrund des schnellen Druckanstiegs im ersten Speicherkammerbereich 241 über die ungedrosselte Verbindungsbohrung 223 in den zweiten Speicherkammerbereich 242 weggedrückt wird. Die beiden konzentrisch zueinander angeordneten Federbälge 25, 26, die den zweiten Speicherkammerbereich 242 begrenzen, sind radial sehr steif, in axiale Richtung jedoch sehr weich ausgelegt. Bevorzugt werden dabei als Federbälge Metallbälge eingesetzt, die im Wesentlichen dem Metallbalg 15 der Nadeldurchführung entsprechen. An dieser Stelle ist aber ebenso der Einsatz elastomerer Werkstoffe für die Federbälge 25, 26 möglich. Wenn Hydraulikflüssigkeit vom ersten Speicherkammerbereich 241 über die Verbindungsbohrung 223 in den zweiten Speicherkammerbereich 242 gedrückt wird, dehnt sich der zweite Speicherkammerbereich 242 gegen die Haltekraft der auf dem Druckring 27 lastenden Druckfeder 28 axial in Richtung auf die Fußplatte 11 der Antriebseinheit aus.By designing the hydraulic chamber 22 as a rigid piston is the movement of the primary piston 21 by the piezoelectric Multilayer actuator 8 is triggered, low loss directly on transfer the secondary piston 23. The movement of the secondary piston 23 is only slightly different from that in the first Hydraulic fluid storage chamber area 241 damped because of the excess hydraulic fluid the rapid rise in pressure in the first storage chamber area 241 via the unthrottled connecting bore 223 in the second storage chamber area 242 is pushed away. The two Bellows 25, 26 arranged concentrically to one another that delimit the second storage chamber region 242 are radial very stiff, but very soft in the axial direction. Metal bellows are preferably used as spring bellows, which essentially the metal bellows 15 of the needle feedthrough correspond. At this point it is the same the use of elastomeric materials for the bellows 25, 26 possible. When hydraulic fluid from the first storage chamber area 241 via the connection bore 223 in the second Storage chamber area 242 is pressed, the second expands Storage chamber area 242 against the holding force on the Compression ring 27 axially loaded compression spring 28 in the direction the foot plate 11 of the drive unit.

Die vom Primärkolben 21 ausgelöste Bewegung des Sekundärkolbens 23 verschiebt die mit dem Sekundärkolben 23 verbundene Ventilnadel 3 gegen die Rückstellkraft der Düsenfeder 5 nach unten, so dass der Ventilteller 4 vom Ventilsitz 2 abhebt und das Einspritzventil sich öffnet. Die Längendehnung des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 wird dabei in eine Verschiebung des Sekundärkolbens 23 und damit der Ventilnadel 3 übersetzt, die dem Verhältnis der druckwirksamen Flächen des Primärkolbens 21 und des Sekundärkolbens 23 in der Hydraulikkammer 22 entspricht. Durch geeignete Abstimmung der Primärkolbenfläche zur Sekundärkolbenfläche lässt sich also z. B. eine Vergrößerung des Hubs des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 in Bezug auf den Hub der Ventilnadel 3 einstellen. Hierdurch kann zuverlässig gewährleistet werden, dass der extrem kurze Hub des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 bei allen Betriebsbedingungen des Einspritzventils ausreicht, die Ventilnadel 3 zu öffnen.The movement of the secondary piston triggered by the primary piston 21 23 moves the one connected to the secondary piston 23 Valve needle 3 against the restoring force of the nozzle spring 5 after below, so that the valve plate 4 lifts off the valve seat 2 and the injector opens. The elongation of the piezoelectric Multilayer actuator 8 is in a shift of the secondary piston 23 and thus the valve needle 3, the the ratio of the pressure-effective areas of the primary piston 21 and the secondary piston 23 in the hydraulic chamber 22 corresponds. By suitable adjustment of the primary piston surface to the secondary piston surface can be z. Legs Extension of the stroke of the piezoelectric multilayer actuator 8 in relation to the stroke of valve needle 3. hereby can be reliably guaranteed that the extreme short stroke of the piezoelectric multilayer actuator 8 in all Operating conditions of the injection valve are sufficient, the valve needle 3 to open.

Der Einspritzvorgang wird beendet, indem der piezoelektrische Multilayeraktor 8 über die elektrischen Zuleitungen 19 wieder entladen wird. Hierdurch verkürzt sich der piezoelektrische Multilayeraktor 8 auf seine Ausgangslänge, wobei die Rohrfeder 9 verhindert, dass die Piezo-Keramik durch Massenträgheitseffekte beim Kontrahieren unter Zugspannung gerät. Da der Primärkolben 21 über die Kopfplatte 10 fest mit der Antriebseinheit verbunden ist, wird durch die Kontraktion des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 auch der Primärkolben 21 aus dem ersten Bohrungsabschnitt 31 zurückgezogen. Hierdurch entsteht in der Hydraulikkammer 22 kurzzeitig eine Druckabsenkung, die aufgrund der extrem kurzen Schaltzeiten des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 und dem kleindimensionierten Drosselspalt 36 am Sekundärkolben 23 nicht durch Nachfließen von Hydraulikflüssigkeit aus der Speicherkammer 24 über die Drosselspalte 36, 37 sofort ausgeglichen werden kann. Diese Druckabsenkung in der Hydraulikkammer 22 gegenüber dem im der Speicherkammer 24 anstehenden Druck führt zu einer Druckdifferenz, die über der der Hydraulikkammer zugewandten Seite des Sekundärkolbens 23 und der dem ersten Speicherkammerbereich 241 zugewandten Seite des Sekundärkolbens 23 abfällt. Hierdurch wird die Rückstellung der Ventilnadel 3 durch die Düsenfeder 5 unterstützt, so dass ein schnelles Schließen des Einspritzventils erreicht wird, was sich günstig auf den Verbrennungsverlauf auswirkt.The injection process is ended by the piezoelectric Multilayer actuator 8 over the electrical leads 19 again is discharged. This shortens the piezoelectric Multilayer actuator 8 to its initial length, with the Bourdon tube 9 prevents the piezo ceramic due to inertia effects when contracting under tension. There the primary piston 21 is fixed to the drive unit via the head plate 10 is connected by the contraction of the piezoelectric multilayer actuator 8 also the primary piston 21 withdrawn from the first bore section 31. hereby there is a brief drop in pressure in the hydraulic chamber 22, which due to the extremely short switching times of the piezoelectric Multilayer actuator 8 and the small size Throttle gap 36 on secondary piston 23 is not caused by reflow hydraulic fluid from the storage chamber 24 can be compensated immediately via the throttle column 36, 37 can. This pressure drop in the hydraulic chamber 22 compared the pressure in the storage chamber 24 leads to a pressure difference across that facing the hydraulic chamber Side of the secondary piston 23 and the first storage chamber area 241 facing side of the secondary piston 23 drops. This will reset the valve needle 3 supported by the nozzle spring 5, so that a quick Closing the injector is achieved, which is convenient affects the course of combustion.

Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Übertragungselementes ist es weiterhin möglich, selbsttätig alle thermischen, durch Setzeffekte der Antriebseinheit oder hervorgerufenen druckbedingten Längenänderungen im Einspritzventil auszugleichen. Längt sich z. B. die Ventilnadel 3 aufgrund thermischer oder druckbedingter Ausdehnung in Bezug auf das Gehäuse 1 des Einspritzventils, wird der Sekundärkolben 23 nach oben in den zweiten Bohrungsabschnitt 32 hineingezogen. Der Drosselspalt 36 am Sekundärkolben 23 ist weiterhin so ausgelegt, dass sich während der thermischen Vorgänge, die zeitlich im Bereich von einigen Sekunden bis Minuten liegen, Hydraulikflüssigkeit über die Drosselspalte 36, 37 zwischen der Speicherkammer 24 und der Hydraulikkammer 22 ausgetauscht werden kann. Wenn der Sekundärkolben 23 sich also aufgrund der thermischen Vorgänge in den zweiten Bohrungsabschnitt 32 vorschiebt, fließt Hydraulikflüssigkeit so lange aus der Hydraulikkammer 22 über die Drosselspalte 36, 37 in die Speicherkammer 24, bis sich in der Hydraulikkammer 22 und in der Speicherkammer 24 wieder ein Druckgleichgewicht einstellt. Der Längenausgleich wird dabei ausschließlich durch die Höhe der Hydraulikkammer 22 begrenzt.The inventive design of the transmission element it is still possible to automatically switch all thermal, by setting effects of the drive unit or caused to compensate for pressure-related changes in length in the injection valve. Is z. B. the valve needle 3 due to thermal or expansion due to pressure in relation to the housing 1 of the Injector, the secondary piston 23 is up in the second bore section 32 drawn. The throttle gap 36 on the secondary piston 23 is also designed so that during the thermal processes, which are in the time range of a few seconds to minutes, hydraulic fluid via the throttle column 36, 37 between the storage chamber 24 and the hydraulic chamber 22 can be replaced. If the Secondary piston 23 is therefore due to the thermal processes hydraulic fluid flows into the second bore section 32 so long from the hydraulic chamber 22 over the throttle column 36, 37 in the storage chamber 24 until in the hydraulic chamber 22 and in the storage chamber 24 again establishes a pressure balance. The length compensation will only by the height of the hydraulic chamber 22 limited.

Für eine zuverlässige Funktion des Übertragungselements ist insbesondere eine hermetische Abdichtung der Hydraulikflüssigkeit gegenüber der Kraftstoffkammer bzw. der Antriebseinheit erforderlich. Es ergeben sich so hohe Anforderungen an die Federbälge 25, 26, die deshalb vorzugsweise als Metallbälge ausgebildet sind. Diese Metallbälge sind wellenförmig ausgebildet, da hierdurch ein sehr kleine axiale Federkonstante erreicht werden kann. Die axiale Deformation des Metallbalges durch eine Druckbelastung ist zwar durchaus nicht gering, hebt sich aber, genau wie die auf die einzelnen Balgwellen wirkenden Kräfte, in ihrer Summe über die Gesamtlänge des Metallbalges nahezu auf. Als besonders günstige Form für die Balgwellen hat sich eine, im Längsschnitt betrachtet, aus aneinandergefügten Halbkreissegmenten mit geraden Zwischenstücken bestehende Geometrie erwiesen. Gegenüber einem sinusförmigen Wellenverlauf weisen die aus Halbkreissegmenten bestehenden Wandungen geringere mechanische Spannungen in axiale Richtung bei höherer axialer Nachgiebigkeit auf.For a reliable function of the transmission element especially a hermetic seal of the hydraulic fluid opposite the fuel chamber or the drive unit required. The requirements are so high the bellows 25, 26, which are therefore preferably as metal bellows are trained. These metal bellows are wavy formed, as a result of which a very small axial spring constant can be achieved. The axial deformation of the metal bellows by a pressure load is not at all low, but stands out, just like that on the individual Bellows waves acting forces, in total over the entire length of the metal bellows almost on. As a particularly cheap one The shape for the bellows shaft has been considered, in longitudinal section, from joined semicircle segments with straight Intermediate pieces existing geometry proved. Across from the semicircular segments have a sinusoidal wave shape existing walls lower mechanical stresses in the axial direction with higher axial compliance on.

Die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikkammer 22 und der Speicherkammer 24 steht, wie dargestellt, unter einem geringen Überdruck, der durch die Druckfeder 28 erzeugt wird, die den Druckring 27 des zweiten Speicherkammerbereichs 242 beaufschlagt. Durch diesen geringen Überdruck bei gleichzeitig blasenfreien Einfüllen der Hydraulikflüssigkeit in das Übertragungselement wird gewährleistet, dass die schnellen Schaltvorgänge des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 nicht zu Kavitationen in der Hydraulikflüssigkeit führen. Die Druckfeder 28 kann alternativ auch teilweise oder ganz durch eine Federwirkung der Federbälge 25, 26 ersetzt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Drosselspalte 36, 37 jeweils nur am Sekundärkolben 23 oder am Primärkolben 21 vorzusehen, so dass ein Austausch von Hydraulikflüssigkeit zwischen einem der Speicherkammerbereiche 241, 242 und der Hydraulikkammer 22 erfolgt. Es können jedoch auch Drosselspalte am Primärkolben 21 und am Sekundärkolben 23 vorgesehen sein.The hydraulic fluid in the hydraulic chamber 22 and the Storage chamber 24 is, as shown, under a small Overpressure generated by the compression spring 28, the acts on the pressure ring 27 of the second storage chamber area 242. Because of this slight overpressure at the same time bubble-free filling of the hydraulic fluid into the transmission element ensures that the fast Switching operations of the piezoelectric multilayer actuator 8 are not lead to cavitation in the hydraulic fluid. The Compression spring 28 can alternatively also partially or completely a spring action of the bellows 25, 26 to be replaced. Farther there is the possibility of throttling gaps 36, 37 each to be provided only on the secondary piston 23 or on the primary piston 21, so an exchange of hydraulic fluid between one of the storage chamber areas 241, 242 and the hydraulic chamber 22 takes place. However, throttle gaps can also be used be provided on the primary piston 21 and on the secondary piston 23.

In Figur 1 ist ein nach außen sich öffnendes Einspritzventil dargestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, das erfindungsgemäße Übertragungselement bei einem nach innen sich öffnenden Einspritzventil einzusetzen. Wie in Figur 2 gezeigt ist, wird dann die Ventilnadel 3 von der Düsenfeder 5 statt unter Zugspannung unter Druckspannung gesetzt, so dass die Ventilnadel 3 im Ruhezustand mit einer konischen Nadelspitze 104 auf einen konischen Ventilsitz 102 im Einspritzventil aufsitzt, unterhalb dem ein Einspritzloch 103 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine ausgebildet ist.In Figure 1 is an outwardly opening injection valve shown. However, there is also the possibility of the invention Transmission element with one inside opening injector. As shown in Figure 2 is then the valve needle 3 by the nozzle spring 5 instead under tensile stress under compressive stress so that the Valve needle 3 at rest with a conical needle tip 104 on a conical valve seat 102 in the injection valve sits below which an injection hole 103 for injection of fuel is formed in the internal combustion engine.

Das in Figur 2 gezeigte Einspritzventil wird genau gegenläufig zu dem in Figur 1 gezeigten Einspritzventil betrieben. Aus Sicherheitsgründen ist das Einspritzventil dabei so ausgelegt, dass bei nicht angesteuerten piezoelektrischen Multilayeraktor 8 das Einspritzventil geschlossen ist, d. h. die Nadelspitze 102 gegen den Ventilsitz 104 gedrückt wird.The injection valve shown in Figure 2 is exactly the opposite operated to the injection valve shown in Figure 1. For safety reasons, the injection valve is designed so that when the piezoelectric multilayer actuator is not controlled 8 the injector is closed, d. H. the Needle tip 102 is pressed against the valve seat 104.

Beim Start der Brennkraftmaschine wird dann gleichzeitig der piezoelektrische Multilayeraktor 8 angesteuert. Dieser längt sich und schiebt dadurch den Primärkolben 21 in den ersten Bohrungsabschnitt 31. Der sich dadurch ergebende Druckanstieg in der Hydraulikkammer 22 wird über den Drosselspalt 36 am Sekundärkolben 23 und dem Drosselspalt 37 am Primärkolben 21, die für einen Austausch von Hydraulikkflüssigkeit mit der Speicherkammer 24 sorgen, ausgeglichen. Hierdurch stellt sich dann innerhalb von Sekundenbruchteilen wieder ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem das Einspritzventil weiterhin geschlossen bleibt. Das Einspritzventil wird so betrieben, dass die Ventilnadel 3 sich immer dann öffnet, wenn der piezoelektrische Multilayeraktor 8 entladen wird und sich dadurch der Primärkolben 21 und damit auch der Sekundärkolben 23, an dem die Ventilnadel 3 befestigt ist, zurückziehen. At the start of the internal combustion engine, the piezoelectric multilayer actuator 8 controlled. This is long and thereby pushes the primary piston 21 into the first Bore section 31. The resulting pressure increase in the hydraulic chamber 22 is via the throttle gap 36 Secondary piston 23 and the throttle gap 37 on the primary piston 21, for an exchange of hydraulic fluid with the Storage chamber 24 worry, balanced. This poses then a state of equilibrium again within fractions of a second a, at which the injector continues to be closed remains. The injection valve is operated in such a way that the valve needle 3 always opens when the piezoelectric Multilayer actuator 8 is discharged and thereby the Primary piston 21 and thus also the secondary piston 23 on which the valve needle 3 is attached, withdraw.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines sich nach außen öffnenden Einspritzventils, bei der der Basisdruck auf die Hydraulikflüssigkeit im Übertragungselement durch eine zentral im Primärkolben 121 angeordnete Druckfeder 128 erzeugt wird. Hierzu ist der Primärkolben 121 topfförmig ausgebildet, wobei zwischen der Kopfplatte 10 und einer Bodenfläche des Primärkolbens 121 ein zusätzlicher dritter Speicherkammerbereich 243 ausgebildet ist. Der Primärkolben 121 ist dabei so angeordnet, dass er sich mit seiner Bodenfläche in den ersten Bohrungsabschnitt 31 erstreckt. Die Seitenwände des Primärkolbens 21 dagegen befinden sich im Wesentlichen im Gehäusebereich 34, in dem die Antriebseinheit angeordnet ist.Figure 3 shows a further embodiment of a outside opening injection valve, with the base pressure on the hydraulic fluid in the transmission element through a Compression spring 128 arranged centrally in the primary piston 121 is generated becomes. For this purpose, the primary piston 121 is cup-shaped, being between the head plate 10 and a bottom surface of the primary piston 121 an additional third storage chamber area 243 is formed. The primary piston 121 is arranged so that it is in with its bottom surface extends the first bore portion 31. The sidewalls the primary piston 21, on the other hand, are essentially located in the Housing area 34 in which the drive unit is arranged.

Die im dritten Speicherkammerbereich 243 angeordnete Druckfeder 128 ist zwischen der Kopfplatte 10 der Antriebseinheit und einer Druckplatte 127, die sich im dritten Speicherkammerbereich 243 vorgesehen ist, eingeschweißt. Die Druckfeder 128 wird dabei zum dritten Speicherkammerbereich 243 hin von einem Metallbalg 125 geschützt.The compression spring arranged in the third storage chamber area 243 128 is between the head plate 10 of the drive unit and a pressure plate 127 located in the third storage chamber area 243 is provided, welded. The compression spring 128 becomes the third storage chamber area 243 from protected by a metal bellows 125.

Der zweite Speicherkammerbereich 242 ist zwischen der Kopfplatte 10 des piezoelektrischen Multilayeraktors 8 und der Gehäusestufe 35 um die Wandung des Primärkolbens 121 herum ausgebildet. Dieser zweite Speicherkammerbereich 242 ist über eine Verbindungsbohrung 136 mit dem dritten Speicherkammerbereich 243 im Primärkolben 121 verbunden. Die Funktionsweise des in Figur 3 gezeigten Übertragungselements entspricht dem in Figur 1 dargestellten Übertragungselement. Durch das Vorsehen einer innenliegenden Druckfeder 128 kann jedoch ein höher Basisdruck sowie eine ggf. kompaktere Bauweise des übertragungselements erreicht werden.The second storage chamber area 242 is between the top plate 10 of the piezoelectric multilayer actuator 8 and Housing stage 35 around the wall of the primary piston 121 educated. This second storage chamber area 242 is over a connection bore 136 with the third storage chamber area 243 connected in the primary piston 121. How it works of the transmission element shown in Figure 3 corresponds to that shown in Figure 1 transmission element. By providing an internal compression spring 128 can, however, be a higher one Base pressure and a possibly more compact design of the transmission element can be achieved.

Anstelle der innenliegenden Druckfeder 128 kann das vom Metallbalg 125 und der Kopfplatte 10 begrenzte gasdichte Volumen auch mit einem Druckgas beaufschlagt werden, so dass anstelle der mechanischen Druckfeder 128 eine Gasdruckfeder für die Aufrechterhaltung des Grunddruckes in den Speicherkammerbereichen 241, 242, 243 sorgt.Instead of the internal compression spring 128, the metal bellows 125 and the top plate 10 limited gas-tight volume also be pressurized with a pressurized gas, so that instead the mechanical compression spring 128 a gas pressure spring for maintaining the basic pressure in the storage chamber areas 241, 242, 243.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen in Bedeutung sein.The in the above description, the drawings and the Features of the invention disclosed in claims can be both individually as well as in any combination for the realization of the invention in its various configurations in Be meaningful.

Claims

Device for transmitting an actuator (8) movement to a controlling element (3) having
a transmission element which establishes an acting connection between said actuator (8) and said controlling element (3) and determines a hydraulic chamber (22) and a storage chamber (24) which are filled with a hydraulic fluid and are interconnected via at least one throttle gap (36, 37), wherein
the transmission element has a first and a second piston element (21, 23; 121), with the first piston element (21; 121) being securely linked to the actuator (8) and the second piston element (23) being securely linked to the controlling element (3), with the hydraulic chamber (22) being embodied between the first piston element (21; 121) and the second piston element (23) and with the storage chamber (24) containing a pressure-loaded storage chamber area (242, 243) delimited by metal bellows, characterised in that said metal bellows form a bellows arrangement (25, 26, 125) and are prestressed by a spring element in such a way that the storage chamber area is under a pressure load and its pressure is approximately constant.
Device according to Claim 1 characterised in that the storage chamber area (242, 243) on which pressure impinges is impinged upon by a pressure spring (28) via a pressure plate (27; 127).
Device according to Claim 1 characterised in that the storage chamber area (242, 243) on which pressure impinges is impinged upon by a gas-pressure spring.
Device according to one of Claims 1 to 3 characterised in that the first piston element (21; 121) and the second piston element (23) are located in an inner bore area, embodied in a two-stage manner, of a housing (1), with the first piston element (21; 121) and the second piston element (23) being spaced apart such that the hydraulic chamber (22) is embodied between the opposite front faces in the area of the transition from a first bore section (31) to second bore section (32), with the travel of the first piston element (21; 121) being translated to the second piston element (23) corresponding to the relationship between said front faces.
Device according to Claim 4 characterised in that the storage chamber (24) is embodied as a two-part storage chamber having a first storage chamber area (241), delimited by the lower front face of the second piston element (23) and by a lead-through (14, 15, 16) on the controlling element (3), and having a second storage chamber area (242) which is located in a housing area (34) accommodating the actuator and which is linked to the first storage chamber area (241) via a connecting bore (223), with the second storage chamber area (242) being delimited by two mutually concentrically arranged bellows (25, 26) and by a pressure ring (27) under the load of a pressure spring (28).
Device according to Claim 4 characterised in that the first piston element (121) is embodied as being pot-shaped and in that the storage chamber (24) is of three-part design, having a first storage chamber area (241) delimited by a lower front face of the second piston element (23) and by a lead-through (14, 15, 16) on the controlling element (3), having a second storage chamber area (242) embodied in a housing area (34) accommodating the actuator (8) around the first piston element (121), and having a third storage chamber area (243) embodied in the first piston element (121), with the first storage chamber area (241) being linked to the second storage chamber area (242) via a first connecting bore (223) in the housing (1) and the second storage chamber area (242) being linked to the third storage chamber area (243) via a second connecting bore (136) in the first piston element (121) and with a pressure spring (128), clamped between a head plate (10) of the actuator (8) and a pressure plate(127) and delimited by bellows (125), or a gas-pressure spring being located in the third storage chamber area (243).
Device according to one of Claims 1 to 6 characterised in that the actuator (8) is a piezoelectric multi-layer actuator prestressed by a spring element (9) and in that the first piston element (21; 121) is securely attached to a head plate (10) of the multi-layer actuator (8).
Device according to one of Claims 1 to 6 characterised in that the actuator operates according to the electrostrictive or magnetostrictive principle.
Device according to one of Claims 1 to 8 characterised in that the bellows (25, 26; 125) are metal bellows consisting preferably of semicircular segments having straight intermediate sections.
Device according to one of Claims 1 to 9 characterised in that the bellows (25, 26; 125) are produced from an elastomeric material.
Device according to one of Claims 1 to 10 characterised in that the hydraulic chamber (22) is embodied such that the spring constant of the hydraulic chamber (22) is at least 10⁸ N/m.