Mechanische Bauteiltoleranzen, temperaturbedingte und druck- bedingte Längenänderungen, Alterungseffekte, insbesondere des Piezoelektrischen Multilayer Aktors (PMA), wirken sich unmit- telbar auf den Öffnungshub eines Fluidventils aus und damit auf dessen Dosiermenge. Insbesondere der PMA wirft hinsicht- lich der thermischen Längenkompensation mit herkömmlichen Me- thoden, wie z. B. mit geeigneter Werkstoffkombination, prak- tisch nicht lösbare Probleme auf.

Die durch den inversen piezoelektrischen Effekt bei Hochleis- tungskeramiken erreichbare Elongation aufgrund des Anlegens einer maximal für den Dauerbetrieb zulässigen Feldstärke von ca. 2 KV/mm beträgt nur 1,2-1, 4 Promille. Dies führt bei ei- ner typischen Baulänge von ca. 40 mm und einem Schichtabstand von 80 um bei 160 V angelegter Spannung zu einer Elongation von maximal ca. 56 um. Liegt zwischen der Aktoreinheit und dem Gehäuse, in das die Aktoreinheit eingebaut ist, auch nur eine minimale relative Abweichung im effektiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. l 10-6 1/K über die Länge des PMA von 40 mm hinweg vor, so führt dies im automobiltechnisch relevanten Temperaturbereich von-40°C bis +140°C zu einer Abweichung der für den Ventiltrieb relevanten Referenzflächen von-2,4 um bis zu +4,8 um oder in Summe zu 7,2 um und, bezogen auf die Elongation des PMA, zu einer Ab- weichungsbandbreite von bis zu 13%.

Probleme entstehen, weil es praktisch nicht möglich ist die komplexe Fertigung der PMA in derart engen Toleranzen zu ges-

talten, dass die thermische Dehnung des PMA insgesamt in ei- nem hinreichend engen Toleranzfeld bleibt.

Als Bauteil mit Domänenstruktur und Hysterese hängt der ther- mische Längenausdehnungskoeffizient stark vom Polarisations- zustand und der mechanischen und elektrischen Belastungsvor- geschichte des PMA ab, sowie von der Temperatur selbst in nichtlinearer Abhängigkeit und kann bei ein und demselben PMA Werte im Bereich von-5-10-6 1/K bis zu +7-10-6 1/K annehmen.

Als wirksame Maßnahme zur Kompensation von Bauteiltoleranzen und Längenänderungen sind im Stand der Technik hydraulische Elemente in Form von hydraulischen Lagern bekannt, wie z. B. in der Patentschrift DE-C-199 40 055 beschrieben. Varianten davon weisen zusätzlich einen hydraulischen Übersetzer auf, wie es z. B. in der Patentanmeldung DE-A-100 39 424 gezeigt wird.

Das hydraulische Kompensationselement besteht aus einer ölbe- füllten Hydraulikkammer, die einerseits durch ein Zylinderge- häuse und andererseits durch einen in Form einer engen Spiel- passung eingepassten Hydraulikkolben begrenzt ist. Über die enge Spielpassung und/oder eine Drosselbohrung steht die Hyd- raulikkammer mit einem Speichervolumen in Verbindung. Das Speichervolumen dient einerseits als Ausgleichsbehälter, in das oder von dem Öl überströmt, wenn sich die Höhe der Hyd- raulikkammer ändert und andererseits als Kompensator für die thermische Volumenänderung des Ölvolumen selbst. Der Spei- cherraum muss einen vorher einstellbaren Grunddruck über den Kompensationsweg und den vollen Temperaturbereich möglichst konstant halten. Das gesamte Ölvolumen muss hermetisch dicht eingeschlossen sein und darf keine Gasblasen enthalten.

Der Kompensationsweg bei einem hydraulischen Kompensations- element wird unter anderem von der Höhe der Hydraulikkammer in axialer Richtung beschränkt und beträgt bei typischen An- wendungen max. 200 um. Die mechanische Steifigkeit c der

Hydraulikkammer ist proportional zur Querschnittsfläche A der Hydraulikkammer und umgekehrt proportional zur Kammerhöhe h und zur Kompressibilität k des Fluids (nach der Beziehung c = A/ (k-h)). Mit zunehmender Kammerhöhe h sinkt die mechani- sche Steifigkeit c der Hydraulikkammer so stark ab, dass die dynamischen Eigenschaften des Piezoantriebes inakzeptabel stark beeinträchtigt werden. Ein genaues Einjustieren eines HK ist daher unabdingbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Längenkompen- sationseinheit mit im Vergleich zum Stand der Technik erhöh- tem Kompensationsweg und wesentlich vereinfachtem Aufbau be- reitzustellen.

Lösungen ergeben sich aus der jeweiligen Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. 2.

Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen ent- nommen werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein frik- tionsbasiertes Kompensationselement (FK) zur Integration ma- ximaler Funktionalität bei gegebenen Bauraumbedingungen als Längenausgleichselement einsetzbar ist. Die besondere Kon- struktion gewährleistet die Möglichkeit des separaten Auf- baus, Tests und den entsprechenden Einbau.

Das erfindungsgemäße Friktionsbasierte Kompensationselement (FK) ist den bekannten Konzepten Hydraulischer Kompensatoren (HK) in folgenden Eigenschaften überlegen : Der Bauraum, insbesondere die Länge eines Aktors, wird bei Anwendung eines FK gegenüber Aktor mit HK deutlich reduziert, da sich das HK in der Länge immer an den Aktor anschließen muss, während beim FK nur ein zusätzliches Rohr geringer Wandstärke nötig ist, das die Aktoreinheit umfasst. Daher entsteht lediglich ein geringer zusätzlicher Platzbedarf im Durchmesser.

Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK. Beim FK ist nur eine enge Zylinderpassung erforderlich.

Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens wie im HK kann verzichtet werden. Das ölgefüllte Volumen beim FK muss nicht gasblasenfrei sein. Ein Lufteinschluss dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Ölfüllung abzufangen. Der Kompensationsweg bei einem FK ist nahezu unbeschränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für die Einstellung eines FKs.

Die sichere Rückstellung des Dosierventils in den geschlosse- nen Zustand bzw. in den Ruhezustand mittels einer Rückstell- feder geschieht durch eine entsprechende Kraft, die in die Ventileinheit eingeleitet wird. Die Einleitung kann direkt auf die Ventileinheit oder sehr vorteilhaft über das FK auf die Ventileinheit geschehen. So kann die Schließkraft mecha- nisch oder hydraulisch (durch das FK) aufgebracht werden, wo- bei sich beide Anteile zur Schließkraft summieren. Der mecha- nische Anteil, der durch die Rückstellfeder aufgebracht wird, dient zum sicheren Verschluss des Ventils im drucklosen Zu- stand des Injektors. Ein Auslaufen von Fluid aus dem Injek- tors kann somit auch beim abgestellten Motor zuverlässig ver- hindert werden.

Durch den Einsatz von konzentrisch geführten Rohren im FK kann durch deren offene Stirnseiten ein elektrischer An- schluss nach außen geführt werden.

Die Ausbildung einer Mantelstromkühlung ist zur gleichmäßigen Ausbildung des Kühlstroms und zur vollständigen Kühlung der Aktoreinheit besonders vorteilhaft.

Zur Abführung der Verlustwärme aus dem Aktorantrieb wird ins- besondere ein inertes Fluid, welches nicht korrosiv wirkt, eingesetzt. Dieses umschließt den Aktor und bindet diesen wärmetechnisch nach außen an.

Ein Metallbalg dient zur Trennung zwischen dem unter erhöhtem Fluiddruck stehenden Bereich der Ventileinheit von dem mit niedrigerem Druck beaufschlagten Bereich der Aktoreinheit und als Durchführungselement für die Ventilnadel von der Aktor- einheit zur Ventileinheit. Weiterhin wird zum Schutz des Me- tallbalges vor Druckwellen eine zwischen Metallbalg und mit Fluiddruck beaufschlagtem Bereich der Ventileinheit positio- nierte Spielpassung ausgebildet.

Ein friktions-basiertes Kompensationselement (FK) zum Tole- ranz-und Längenausgleich für Piezoantriebe wird als Fluid zwischen den beteiligten Bauelementen eine Substanz mit einer definierten Viskosität n enthalten. Diese Viskosität ist ins- besondere von der Friktionsfläche A abhängig. Die Festlegung <BR> <BR> der Viskosität n erfolgt aus folgender Formel : F t wo-<BR> <BR> F bei v die relative Geschwindigkeit der Friktionspartner (Bauteile) gegeneinander, F die über das Friktionslager ü- bertragene Kraft (Scherkraft) und 9 das zwischen den betei- ligten Bauelementen vorliegende Spaltmaß bedeuten. Eine Lö- sung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus durch die Ausnüt- zung der Eigenschaften einer hoch viskosen Flüssigkeit, die langsame Relativbewegungen zulässt und bei schnellen Relativ- bewegungen wie ein hartes Lager wirkt.

Bei einem vom Aufbau her identischen Dosierventil mit Längen- kompensationseinheit kann anstelle eines hoch viskosen Flu- ids, welches sich zwischen den beteiligten Bauelementen be- findet, ein Fluid mit dilatanten Eigenschaften zwischenge- schaltet sein. Die Vorteile liegen in diesem Fall ebenso in der Erhöhung des Kompensationsweges, der im Wesentlichen auf der mechanischen Konstruktionsweise begründet ist. Der Ein- satz eines dilatanten Fluids ist mit weiteren besonderen Vor- teilen verbunden. Während beim Einsatz einer herkömmlichen hoch viskosen Flüssigkeit, die beispielsweise eine Viskosität =1000Ns/m2 aufweist, ist beispielsweise ein Spaltmaß von 10 um notwendig. Damit ist die gewünschte Funktionsweise des

friktions-basierten Kompensationselementes optimal einge- stellt. Die dazu notwendige Herstellungsgenauigkeit für die beteiligten Bauelemente bzw. für die Befüllung mit dem Gleit- mittel stellen jedoch hohe Anforderungen an die Fertigung ei- nes solchen Lagers. Die Ausführung eines friktions-basierten Lagers ist durch geringe Spaltmaße und durch langwierige Be- füllung mit einem Gleitmittel gekennzeichnet und sehr aufwän- dig.

Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe beinhaltet die Ver- wendung eines dilatanten Fluids zwischen den entsprechend zu- sammenwirkenden Bauelementen des friktions-basierten Kompen- sationselementes. Ein dilatantes Fluid weist im Gegensatz zu einem hoch viskosen Newton'schen Fluid ein wesentlich anderes Verhalten auf. Bei einer dilatanten Flüssigkeit bewirkt ein Anstieg der Scherrate ein Ansteigen der Viskosität bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Die Vorteile der Verwen- dung eines solchen Fluids sind folgende : Die Befüllung des Systems ist unproblematisch, da die Fluide ohne aufgebrachte Scherspannungen niedrig viskos sind, das Spaltmaß der beteiligten Bauelemente kann größer gewählt wer- den, da die Viskosität unter hohen Scherraten deutlich zu- nimmt und größer werden kann als die der bisher eingesetzten Öle, die in der Regel bis zu Werten von =2000Ns/m2 beträgt.

Ferner ist anzumerken, dass das Verhalten einer dilatanten Substanz den Anforderungen des FKs dahingehend entspricht, dass langsam ablaufende Vorgänge wie die Kompensation von Längenänderungen oder Bauteiltoleranzen bei geringer Scherra- te stattfinden. Somit werden nur sehr geringe Kräfte im Lager übertragen und eine Längskompensation ist möglich. Bei schnellen Änderungen in Längsrichtung wie bei dem Antrieb ei- nes piezoelektrischen Motors oder einem Fluidventil, entste- hen hohe Scherraten. Die entsprechenden Kräfte werden durch das Lager in diesem Fall aufgrund der erhöhten Viskosität ü- bertragen.

Im Folgenden werden detaillierte Beschreibungen von besonders vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf die begleitenden Figuren wiedergegeben : Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Dosierventil mit Ventileinheit, Aktoreinheit, Längenkompensationseinheit und Rückstellfeder, Figur 2 zeigt ein Dosierventil entsprechend Figur 1, wobei die Rückstellfeder direkt am friktionsbasierten Kompensati- onselement angreift.

Das im Folgenden detailliert beschriebene friktionsbasierte Kompensationselement (FK) stellt eine Weiterentwicklung und Optimierung des genannten Standes der Technik hinsichtlich der Integration maximaler Funktionalität bei gegebenen Bau- raumbedingungen dar, wie vorgeschriebene Bauhöhe, Außendurch- messer und einfacher Aufbau als modulare Einheit. Dieses kann separat aufgebaut, getestet und verbaut werden.

Das erfindungsgemäße FK ist den bekannten Konzepten Hydrauli- scher Kompensatoren (HK) in folgenden Eigenschaften überle- gen : Der Bauraum, insbesondere die Länge des Piezoantriebes, wird bei Anwendung eines FK gegenüber einem Piezoantrieb mit HK deutlich reduziert, da das HK in der Länge immer an den Pie- zoantrieb anschließen muss, während beim FK nur ein zusätzli- ches Rohr geringer Wandstärke, das die Aktoreinheit umfasst, erforderlich ist. Daher entsteht lediglich ein geringer zu- sätzlicher Platzbedarf im Durchmesser.

Der Aufbau eines FK ist wesentlich einfacher als der eines HK.

Hingegen ist beim FK nur eine enge Zylinderpassung erforder- lich. Auf eine Druckbeaufschlagung des Ölvolumens kann ver- zichtet werden. Das mit einem hochviskosen Öl gefüllte Volu- men muss nicht gasblasenfrei befüllt sein. Ein Lufteinschluss

dient gerade dazu, die thermische Volumenausdehnung der Öl- füllung abzufangen.

Der Kompensationsweg bei einem FK ist hingegen nahezu unbe- schränkt. Daher entsteht praktisch kein Aufwand für dessen Einstellung.

Der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen FK in einem Piezoelektrischen Benzin (Gasoline) Direkt Injektor, PGDI, wird anhand von Fig. 1 erläutert.

Der Aufbau eines Dosierventils umfasst ein Gehäuse mit fol- genden funktionalen Bestandteilen : 1) Ventileinheit 2) Aktoreinheit 3) Längenkompensationseinheit 4) Fluidzufuhr/Kraftstoffzufuhr 1. Ventileinheit : Die Ventileinheit besteht aus einer Ventilnadel 1, deren un- teres Ende entsprechend der Ausrichtung in den Figuren in Form eines Ventiltellers 2 ausgebildet ist und aus einer Cartridge/Hülse 3, in deren unteres Ende ein Ventilsitz 4 eingeschliffen ist, der zusammen mit dem Ventilteller 2 ein Kegelstrahlventil bildet, wobei der Strahlkegelwinkel des austretenden Kraftstoffes durch die geometrische Ausgestal- tung des Ventiltellers 2 und des Ventilsitzes 4 festgelegt werden. Die Ventilnadel 1 wird in der Hülse 3 durch zwei sehr enge Spielpassungen 5,6 axial geführt. Der Querschnitt der Ventilnadel 1 im Bereich der unteren Passung 5 weist ein oder mehrere Abflachungen auf, damit der Kraftstoff im Raum zwi- schen Ventilnadel und Hülsen-Innenwand von der mindestens ei- nen Eintrittsbohrung 7 während des Einspritzvorganges unge- hindert zum geöffneten Kegelstrahlventil fließen kann. Ober-

halb der oberen Passung 6 ist ein Metallbalg 8 an seinem un- teren Ende hermetisch dichtend mit der Ventilnadel 1 und an seinem oberen Ende hermetisch dichtend mit dem Ventilkörper 9 vorzugsweise durch Verschweißen verbunden. Diese Art des Balganschlusses bewirkt, dass der unter hohem Druck stehende Kraftstoff von außen auf den Balg einwirkt. Der Einbau von Metallbälgen unter Außendruckbelastung wird von den Balgher- stellern als die stabilere Variante empfohlen. Der Metallbalg 8 dient als hochdruckfestes hermetisch dichtendes, aber axial weiches Durchführungselement, das die erforderliche Bewegung der Ventilnadel 1 zum schnellen Öffnen und Schließen des Ke- gelstrahlventils nicht behindert. Der Metallbalg 8 besitzt einen effektiven hydraulischen Durchmesser d1 der genau auf den Durchmesser der Dichtlinie d2 im Kegelstrahlventil abge- stimmt wird. Liegt der Kraftstoffdruck P an, so berechnet sich die vom Kraftstoffdruck P auf die Ventilnadel 1 ausgeüb- te Druckkraft zu Fp = 7t/4' (di-d)'P, wobei ein posi- tives Vorzeichen eine Kraft nach oben also eine ventilschlie- ßende Kraft bedeutet. Je nach bevorzugter Auslegung der Kräf- tebilanz auf das Ventil kann durch Wahl von di und d2 eine öffnende, schließende oder verschwindende druckabhängige Kraft auf die Ventilnadel eingestellt werden.

Durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlven- tils werden Druckschwankungen hoher Amplitude und Frequenz (Druckwellen) im Kraftstoff induziert, die einen Metallbalg stark schädigen und zu seinem verfrühten Ausfall führen. Als experimentell erwiesene und wirksame Maßnahme ist der Metall- balg oberhalb der Passung 6 angeordnet, die in ihrem Quer- schnitt keine Abflachungen aufweist. Durch hinreichend enge Passungen können Druckwellen nicht propagieren, was den Me- tallbalg 8 vor den schädlichen Druckwellen schützt.

Durch eine weiche, druckvorgespannte Rückstellfeder 10, die sich am unteren Ende auf dem Ventilkörper 9 und am oberen En- de über einen Federteller 11 an der Ventilnadel 1 abstützt, wird eine wegunabhängige Schließkraft FR in die Ventilnadel

eingeleitet. Die Schließkraft Fs im Kegelstrahlventil zwi- schen Ventilteller 2 und Ventilsitz 4 setzt sich im Betrieb additiv aus dem druckabhängigen Anteil Fp und der Kraft der Rückstellfeder FR zusammen gemäß Fs = Fp + FR.

Der Ventilkörper 9 ist mit der Hülse 3 hermetisch dichtend und druckstabil vorzugsweise durch Schweißen verbunden.

Die Ventileinheit ist bis zu dem bis jetzt beschriebenen Zu- stand als separate Einheit montierbar und mit Hilfe geeigne- ter Vorrichtungen in ihrer Funktion prüfbar, wie z. B. auf Dichtheit der Schweißnähte, Dichtheit des Kegelstrahlventils, Ausbildung und Eigenschaften des Kegelstrahles, was Kosten spart, da mangelhafte Ventilgruppen sofort ausgesondert wer- den können und Fehler nicht erst an einem vollständigen In- jektor nachgewiesen werden, wodurch der gesamte Injektor ver- worfen werden müsste.

2. Aktoreinheit : Die Aktoreinheit besteht aus dem Piezoelektrischen Multilayer Aktor, PMA 12, der unter Druckvorspannung zwischen einer Bo- denplatte 13 und einer Kopfplatte 14 in eine Rohrfeder 15 eingeschweißt ist. Die Druckvorspannung schützt den PMA im hochdynamischen Betrieb vor schädlichen Zugspannungen. Die Piezokeramik verhält sich stabil gegenüber Druckspannungen, Zugspannungen hingegen können zur Zerstörung der Piezokeramik führen. Zudem wird durch das Anlegen einer starken Druckvor- spannung, typischerweise von ca. 500 N-1000 N, der Effekt der Spaltfederung zwischen den Stirnflächen des PMA und den entsprechenden Gegenflächen der Kopfplatte 14-und Bodenplat- te 13 vermieden, der zu einer weichen, mechanischen Ankopp- lung der Kopfplatte 14 und Bodenplatte 13 führt und daher ur- sächlich für Verluste in der Auslenkung der Aktoreinheit sein kann. Ursache für das Auftreten von Spaltfederung sind geo- metrische Abweichungen von der idealen planparallelen Geomet- rie der PMA Stirnflächen. Die Stirnflächen sind typisch mit einer Toleranz in der Parallelität von ca. 50um gefertigt.

Durch den Polungsvorgang werden zunächst planare Stirnflächen ballig ausgebildet. Ohne oder bei nur geringer Druckvorspan- nung ist nur ein Bruchteil der PMA Stirnfläche auf Anlage mit der entsprechenden Gegenfläche auf der Kopf-oder Bodenplatte und bewirkt eine mechanisch weiche Kopplung. Eine hinreichend hohe Druckkraft bewirkt durch elastische Deformation das Schließen der Spalte und damit eine ganzflächige Anlage der Stirnflächen an den entsprechenden Gegenflächen und somit ei- ne mechanisch steife Ankopplung.

Die Kopfplatte 14 enthält zudem Bohrungen 16, durch die die elektrischen Anschlüsse 17 des PMA zentral nach hinten aus der Aktoreinheit herausgeführt werden.

Die Aktoreinheit kann ebenfalls als separates Modul elek- trisch und mechanisch geprüft werden, bevor es in einen In- jektor eingebaut wird.

3. Längenkompensationseinheit : Der Längenkompensator besteht in einer bevorzugten Ausführung für die Anwendung im beschriebenen Dosierventil aus zwei kon- zentrischen Rohren, dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, wobei der Außendurchmesser des Innenrohres 18 nur geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Außenrohres 19, so dass beide Rohre eine enge Spielpassung bilden. Eine typische Durchmesserdifferenz liegt bei ca. 5 um-20 um. Der Pas- sungsspalt wird mit einem hochviskosen Fluid, z. B. Baysilone M 2 000 000 ausgefüllt, wodurch hohe Scherkräfte zwischen dem Innerohr 18 und dem Außenrohr 19 bei minimaler Relativge- schwindigkeit übertragen werden können. Die Verwendung von Silikonölen, wie z. B. Baysilone M, ergibt sich aus der we- sentlich geringeren Abhängigkeit der Viskosität von der Tem- peratur beim Vergleich zwischen Silikonölen mit Mineralölen im relevanten Temperaturbereich von-40°C bis +150°C, ver- bunden mit der daraus resultierenden vereinfachten Auslegung des Längenkompensators. Die Verwendung anderer hochviskoser Fluide ist jedoch genauso möglich.

Beim Einsatz eines dilatanten Fluide zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr einer friktions-basierten Längenkompensa- tionseinheit werden ebenfalls mechanische Kräfte für den Fall übertragen, dass hohe Relativgeschwindigkeiten vorliegen.

Nachteilige Längenänderungen und Bauteiletoleranzen verschie- dener Bauelemente können ausgeglichen werden, indem langsame Relativbewegungen nicht von der Einheit abgestützt, sondern ausgeglichen werden. Rheologisch gesehen fließen Fluide nor- malerweise beim Einwirken äußerer Kräfte, beispielsweise ent- sprechend der Newton'schen Scherkraftformel. Die Viskosität eines dilatanten Fluids ist abhängig von dem Betrag der Scherkräfte, die in dieses Fluid eingebracht werden. Mit zu- nehmender Scherrate steigt die Viskosität bis hin zu festkör- perähnlichen Eigenschaften. Falls nun ein Hub eines piezo- elektrischen Aktors, der nur wenige um ausmacht, von einem friktions-basierten Kompensationselement abgestützt werden soll, müssen derartige Reaktionen innerhalb des Fluids aus- reichend schnell ablaufen. Dies ist der Fall, da Viskositäts- änderungen in dilatanten Fluiden im Millisekundenbereich von- statten gehen. Anders ausgedrückt reagiert ein derartiges Fluid dilatant und nicht pseudoplastisch. Als Ergebnis liegt in diesem Fall ein steifes Lager zum Abstützen des Aktorhubes vor.

Typischerweise wird, wie in Fig. 1 gezeigt, das Innenrohr 18 mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit 32 steif verbunden, beispielsweise verschweißt. Das Außenrohr 19 wird an seinem unteren Ende mit der Ventilgruppe steif und hochdruckdicht verbunden. Die Bodenplatte 13 ist steif mit dem oberen Ende der Ventilnadel 1 verbunden. Der Innenraum innerhalb des Au- ßenrohres 19 ist zur Gewährleistung der permanenten Ausfül- lung des Passungsspaltes zwischen dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19 weitestgehend mit hochviskosem Öl oder mit dila- tantem Fluid ausgefüllt. Des weiteren dient die Füllung gleichzeitig zur optimalen Verlustwärmeabfuhr vom PMA zum Au- ßenrohr 19.

4. Die Kraftstoffzufuhr : Die Kraftstoffversorgung besteht aus einem Einlassverbin- der/Inletfitting 26 mit einer Zulauföffnung 20, in die der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe kommend über eine Kraft- stoffleitung eingespeist wird. Die Zulauföffnung mündet in eine Ringnut 21, durch die der Kraftstoff gleichmäßig über den Umfang verteilt wird. Zur Kraftstoffversorgung dient des weiteren ein Mantelrohr 22. Der zylindrische Ringspalt zwi- schen dem Außenrohr 19 und dem Mantelrohr 22 dient als Kraft- stoffleitung vom Inletfitting 26 zur Ventilgruppe. Das Inlet- fitting (26) ist hochdruckfest und hermetisch dichtend mit dem oberen Ende des Außenrohres und dem Mantelrohr verbunden.

Das untere Ende des Mantelrohres ist hochdruckfest und herme- tisch dichtend mit der Hülse 3 verbunden.

Diese Art der konzentrischen Kraftstoffzufuhr ermöglicht eine optimale Verlustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18, das Silikonöl und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff.

Die Elastizität des Außen-und Mantelrohres stellt einen ef- fizienten, injektorinternen Druckspeicher dar, der die durch das schnelle Öffnen und Schließen des Kegelstrahlventils aus- gelösten Druckwellen optimal dämpft.

Das Inletfitting 26 kann eine Vorrichtung zur mechanischen Injektorkalibrierung, bestehend aus einer Hohlschraube 23, und einer weichen Feder 24, die sich oben an der Hohlschraube und unten an der Aktoreinheit abstützt, enthalten. Durch das Eindrehen der Hohlschraube 23 wird über die Feder 24 der Ven- tilsitz gezielt geringfügig entlastet, wodurch der erreichba- re Volumenstrom des Kegelstrahlventils geringfügig zunimmt.

Eine mechanische Gleichstellung zwischen mehreren Injektoren ist somit erreichbar. Die Innenbohrung der Hohlschraube 23 dient zur Durchführung der elektrischen Anschlüsse 17. Mit- tels der Dichtung 25 aus Silikon oder ähnlichem ist die Boh- rung der Hohlschraube 23 verschlossen, damit die Silikonöl- füllung sicher im Injektorinnenraum eingeschlossen bleibt.

Funktion des friktionsbasierten Kompensationselementes FK im Injektor bzw. Dosierventil Grundsätzlich können keine statischen Kräfte durch ein derar- tiges FK zwischen den beiden Rohren, dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, übertragen werden.

Die Funktion des FK basiert darauf, dass es die Kopplung durch viskose Reibung erlaubt, kurzzeitig hohe Kräfte bei ho- her mechanischer Steifigkeit zu übertragen, wobei während der Zeitspanne der Kraftwirkung verglichen mit der Aktorauslen- kung nur eine vernachlässigbare Relativverschiebung zwischen den Rohren auftritt. Die mechanische Steifigkeit des FK wird durch die mechanischen Steifigkeiten der beiden Rohre festge- legt. Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen den Rohren finden praktisch kräftefrei statt.

Daher ist das FK zum Einsatz in kurzzeitig arbeitenden Schaltventilen oder auch periodisch arbeitenden Schaltventi- len einsetzbar, wobei die Phase der Kraftübertragung vergli- chen mit der Aktorauslenkung nur zu einer vernachlässigbaren Relativverschiebung zwischen den Rohren im FK führt.

Bei Einspritzventilen für Verbrennungsmotoren treten Phänome- ne mit hinreichend unterschiedlichen Zeitskalen auf : 1. Typische Einspritzzeiten von ca. 1 ms-3 ms, in der das FK hohe Kräfte übertra- gen muss.

2. Langsame thermische Vorgänge im Sekunden-bis Minutenbe- reich, wobei Ausgleichsvorgänge im FK praktisch ungehin- dert d. h. kräftefrei stattfinden.

Für Newton'sche Flüssigkeiten gilt die Scherkraftformel : F--A-v/8-> F-8/ (A-v) mit : F : Scherkraft, entspricht im Injektor der typischen Schließ- kraft Fs < 200 N,

A : Flächeninhalt der Scherfläche A = x d l mit typischen Dimensionen d = 11 mm ; 1 = 60 mm, => A = 2073 # 10-6 m2, v : Relativgeschwindigkeit zwischen den Scherflächen, v < 1 um/ms, v < 1 10-3 m/s 8 : Abstand der Scherflächen typisch 8 < 10 10-6 m, => # # 200 # 10 # 10-6 Nm / (2073 # 10-6 m2 # 1 # 10-3 m/s) => 965 Ns/m2.

Im ungünstigsten Fall muss die Viskosität il mindestens 965 Ns/m2 betragen. Durch hochviskose Öle wie z. B. Baysilone M 2 000 000 (Handelsname) wird eine Viskosität von ca. 2000 Ns/m2 bereitgestellt und die erforderliche Mindestviskosität von 956 Ns/m2 unter allen Betriebsbedingungen sicher ein- gehalten.

Wiederholt auftretende Kraftwirkungen auf das FK kumulieren, indem sich der Verschiebeweg zwischen den Rohren addiert. Da- her ist ein Rückstellmechanismus für das Innenrohr (18) re- lativ zum Außenrohr (19) erforderlich, der das Außenrohr (19) in der kräftefreien Zeit in die Anfangslage zurückversetzt.

Wird der PMA (12) über die elektrischen Anschlüsse (17) auf- geladen, so verlängert sich der PMA und öffnet das Kegel- strahlventil, wobei die Schließkraft vom PMA übernommen wird. Die Aktoreinheit stützt sich dabei über das Innenrohr und die viskose Reibung an dem Außenrohr ab. Die Schließkraft bewirkt über die viskose Reibung, dass die Aktoreinheit während der Öffnungsdauer mit konstanter Geschwindigkeit relativ zum Au- ßenrohr nach oben gedrückt wird. Durch das geöffnete Kegel- strahlventil tritt währenddessen Kraftstoff in Form eines Ke- gelstrahles in den Brennraum aus. Zur Beendigung des Ein- spritzvorganges wird der PMA wieder über die elektrischen An- schlüsse 17 entladen, wobei der PMA wieder auf die ursprüng- liche Länge kontrahiert und das Kegelstrahlventil durch die

Schließkraft geschlossen wird. Zusätzlich unterstützt die Rückstellfeder 10 den Schließvorgang.

Da sich das Innenrohr 18 während des Einspritzvorganges nach oben um die Strecke E bewegt hat, wird die Elastizität des Antriebes (Federkonstante CD) t die sich aus der Serienschal- tung der Elastizität der Aktoreinheit (Federkonstante CA) und der Elastizität der Ventilnadel (Federkonstante CN) gemäß 1/CD = 1/CA +1/CN berechnet, nach erfolgter Entladung des PMA, um die Strecke s stärker gedehnt und erzeugt daher eine zusätzliche Schließkraft : dF= CD £.

Im FK wirkt diese Kraft nach unten, d. h. sie bewirkt eine Rückstellung des Innenrohres 18 während der Ruhephase des In- jektors zwischen den Einspritzvorgängen. Die viskose Reibung dämpft die Rückstellbewegung.

Durch die zusätzliche Schließkraft dF wird ein Rückstellme- chanismus bereitgestellt.

Im Injektorbetrieb, verbunden mit periodischem Öffnen-und Schließen, stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht derart ein, dass die Drift des Innenrohres 18 nach oben, die während des Einspritzvorganges eintritt, während der Ruhephase des Injektors zurückgesetzt wird. Diese Gleichgewichtslage hängt von der Tastrate, d. h. vom Verhältnis der Einspritzzeit zur Periodendauer ab. Da bei Einspritzventilen für Verbrennungs- motoren die Einspritzzeit wesentlich geringer als die Perio- dendauer ist, entspricht die dynamische Gleichgewichtslage des FK nahezu seiner Ruhelage bei beliebig langer Perioden- dauer. Daher ist der dynamische Tastrateneffekt für prakti- sche Anwendungen vernachlässigbar.

Sehr langsame Relativverschiebungen zwischen dem Innenrohr 18 und dem Außenrohr 19, wie sie z. B. durch thermische Dehnung oder Setzeffekte des PMA hervorgerufen werden, können hinge- gen ungehindert stattfinden.

Vorteile eines FK (friktionsbasierten Kompensationselementes) in einem unter Druck direkt einspritzenden Injektor : 1) sehr geringer Bauraumbedarf 2) sehr einfacher Aufbau aus nur zwei ineinander eingepass- ten Rohren 3) Mehrfachnutzung des Injektor-Außenrohres als Teil der konzentrischen Kraftstoffzufuhr und Teil des Kompensa- tors 4) Mehrfachnutzung der Ölbefüllung im FK zur optimalen Ver- lustwärmeabfuhr vom PMA über das Innenrohr 18 und das Außenrohr 19 zum Kraftstoff und zur mechanischen Kopp- lung des Innenrohres zum Außenrohr mittels viskoser Rei- bung.

5) Es ist praktisch kein Aufwand zur Justage des FK nötig.

6) Eine Ölbefüllung muss nicht blasenfrei sein.

7) Der FK benötigt keine Druckbeaufschlagung zur Sicher- stellung seiner Funktion.

8) Eine hochviskose Ölbefüllung oder ein dilatantes Fluid können auf einfache Weise im Injektorinnenraum einge- schlossen werden.

9) Einfache Herausführung der elektrischen Anschlüsse zent- ral nach hinten.

10) Einfache Implementierung einer Feder zur mechanischen Kalibrierung des Injektordurchflusses.

Die Ausführung entsprechend Fig. 2 bietet darüber hinaus wei- tere Vorteile : a) Konstruktive Vereinfachung des Aufbaues durch Wegfall des Federtellers 11. b) Einfachste Einstellung der Vorspannkraft der Rückstell- feder durch eine Vorrichtung, mit der das Innenrohr 18 mit der gewünschten Kraft niedergedrückt wird, wobei das Verschweißen des Innenrohres 18 mit der Kopfplatte 14 der Aktoreinheit in diesem Zustand ermöglicht wird.

c) Die bei Schraubenfedern immer vorhandenen Seitenkräfte die bis zu ca. 20% ihrer Axialkraft betragen können wer- den bei dieser Variante nicht in die Ventilnadel einge- leitet. d) Die Schraubenfeder wird nur statisch belastet. Eine Schwingungsanregung der Feder und darauf zurückgehende Effekte werden vermieden. Eine in Resonanz geratene Schraubenfeder kann rotieren, wodurch sich die Einlei- tung der Querkraft in die Ventilnadel zeitlich ändert und u. a. die Strahlgeometrie des Kegelstrahles beein- flusst wird.

Erreicht werden diese Vorteile durch Einleitung der Vorspann- kraft der Rückstellfeder in das Innenrohr anstatt in das obe- re Ende der Ventilnadel.

Die Auswahl der hochviskosen Fluide für das FK ist nicht auf Silikonöle beschränkt. Es können auch Fette, tixotrope oder auch rheopexe Fluide zum Einsatz kommen.

Ebenso ist der Einsatz eines dilatanten Fluids mit Vorteilen verbunden. Hier bewirkt der Anstieg der Scherrate ein Anstei- gen der Viskosität des Fluids bis hin zu festkörperähnlichen Eigenschaften. Da diese fluidinternen Eigenschaftsänderungen im Millisekundenbereich ablaufen, lassen sie sich für die Zwecke eines friktions-basierten Längenkompensationselementes ausnützen.

Weiterhin ist die Anwendung des FK nicht auf piezoelektrische Antriebe beschränkt. Es ist ebenso vorteilhaft bei allen Ar- ten von Festkörperaktoren wie z. B. bei magnetostriktiven o- der elektrostriktiven Aktoren einsetzbar.