EP0869278A1 - Piezoelectric injection valve with means to compensate for the thermal expansion of piezoelectric actuator - Google Patents

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EP0869278A1
EP0869278A1 EP98106153A EP98106153A EP0869278A1 EP 0869278 A1 EP0869278 A1 EP 0869278A1 EP 98106153 A EP98106153 A EP 98106153A EP 98106153 A EP98106153 A EP 98106153A EP 0869278 A1 EP0869278 A1 EP 0869278A1
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EP
European Patent Office
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actuator
housing
thermal expansion
injection valve
injection
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EP98106153A
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Johannes Fitzner
Karl Kirchweger
Gerd Dr. Schmutzler
Raimondo Dr. Giavi
Jürgen Rink
Günter LEWENTZ
Stefan Lehmann
Dirk Dr. Baranowski
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Continental Automotive GmbH
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Siemens AG
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion

Definitions

  • the invention relates to an injection valve with a piezoelectric Actuator and an actuator housing according to the preamble of claims 1 and 3.
  • An injection valve with a piezoelectric actuator is used to control an injection needle for injecting Fuel used in an internal combustion engine.
  • DE 35 33 085 A1 describes an injection valve with a piezoelectric one Actuator known in which the piezoelectric actuator via a damping piston, a liquid cushion and is biased against the actuator housing. If the actuator changes length due to temperature fluctuations the volume of the compensation room is changed and thus the change in length in relation to the specified one Travel balanced.
  • the object of the invention is a thermal change in length of an actuator without compensating for a damping chamber.
  • a major advantage of the invention is based on the fact that the actuator housing with respect to the thermal expansion coefficient adapted to the actuator is, which is preferably designed as a piezoelectric actuator is. Furthermore, compensation is advantageous the thermal change in length of the actuator compared to the actuator housing achieved by providing shims that compensate for the change in length of the actuator.
  • FIG 1 shows schematically an injection valve 1 with a Valve housing 19, in which a housing recess 7 is introduced is, which merges into a guide bore 20, in a Injection chamber 26 opens.
  • the guide bore 20 is at one Fuel channel 6 connected, supplied via the fuel becomes.
  • An actuator housing is in the housing recess 7 8 introduced, the two flanges 12 and screws 11th is firmly connected to the top of the valve housing 19.
  • an adjustment plate 13 is introduced in each case.
  • the adjustment plate 13 sets the insertion depth of the actuator housing 8 in the valve housing 19 fixed. This way the distance between the base plate 21 of the housing 8 and the bottom of the bore 22 of the housing recess 7 set.
  • the actuator housing 8 is designed as a hollow cylinder on the underside of the base plate 21 is limited. Of the Base plate 21 is opposite a cover plate 9 on the Screwed on actuator housing 8 using fastening screws 10.
  • the actuator housing 8 there are two one behind the other in the longitudinal direction arranged piezoelectric actuators 2, the upper piezoelectric actuator 2 abuts the cover plate 9.
  • the piezoelectric actuators 2 are via control lines 17 connected to a control means 16.
  • a simple one Only one piezoelectric actuator 2 is provided.
  • the lower piezoelectric actuator 2 is operated by an actuator 3 held by a spring 14 against the lower piezoelectric Actuator 2 is cocked. That way they are piezoelectric actuators 2 biased against the cover plate 9.
  • the actuator 3 goes from a holding plate in the the piezoelectric actuator 2 is mounted in a control rod 23 over, through an opening of the bottom plate 21 in the guide bore 20 is guided and on the injection needle 4 is present.
  • the injection needle 4 is in the rest position of one Tension spring 25 biased against the control rod 23, wherein the injection needle 4 seals an associated sealing seat 18. As a result, the injection chamber 26 is off the fuel supply line 6 separated.
  • the operation of the injection valve 1 is as follows explained in more detail: In the rest position, the piezo actuator 2 not controlled by the control means 16 and thus by the spring 14 biased against the cover plate 9.
  • the injection needle 4 is also from the tension spring 25 to the sealing seat 18th and pressed against the control rod 23. There is no Injection since the fuel supply line 6 from the injection chamber 26 is separated.
  • the control means 16 controls the piezoelectric ones for an injection Actuators 2 so that they expand and the actuator 3 in the direction of the injection needle 4th move against the spring force of the spring 14 and the tension spring 25.
  • the injection needle 4 is lifted off the sealing seat 18 and the fuel supply line 6 with the injection chamber 26 connected. As a result, the nozzle openings 5 Delivered fuel.
  • the injection process is ended by the control means 16 by the control of the piezoelectric actuator 2 canceled is so that the piezoelectric actuator 2 contracts and the actuator 3 from the spring 14 toward the cover plate 9 is pushed.
  • the actuator housing 8 is adjusted by the adjustment plates 13 in such a way that in the rest position, the injection needle 4 on the assigned sealing seat 18 and the injection needle 4th when the piezoelectric actuator 2 is actuated by the associated one Sealing seat 18 is lifted off.
  • the piezoelectric heats up Actuator 2, the piezoelectric actuator 2 pulls together because the thermal expansion coefficient of the piezoelectric Material has a negative coefficient of thermal expansion having.
  • the actuator 3 from the spring 14 in the direction of the base plate 9 moved so that the nozzle needle 4 with high force on the Sealing seat 18 is pressed. This has the consequence that a bracing and thus a misalignment of the actuator 2 in relation on the injection needle 4, so that a safe opening and closing the nozzle opening 5 no longer guaranteed is.
  • FIG. 2 shows schematically the parts of the injection valve, which are important for a thermal change in length.
  • the actuator housing 8 with the cover plate schematically 9 and the connecting flange 12 shown.
  • a piezoelectric actuator 2 is introduced, the the cover plate 9 rests.
  • two are in a row arranged piezoelectric actuators 2 according to figure 1 provided.
  • the actuator 3 is provided with the spring 14, which with the control rod 23 through an opening of the base plate 21 protrudes.
  • the actuator housing 8 is made of a material that has essentially the same thermal expansion coefficient as the piezo actuator 2.
  • an expansion coefficient for the actuator housing 8 that is less than is advantageous is.
  • Ceramic, quartz glass or hard glasses, which essentially contain iron and nickel, are suitable as advantageous materials.
  • a preferred iron and nickel alloy has essentially 36% nickel, 53% iron and small parts of carbon, silicon and magnesium.
  • a corresponding iron-nickel alloy is sold by the company imphy under the product name INVAR and has 36% nickel, 0.03% carbon, 0.2% silicon and 0.3% magnesium and iron.
  • the average coefficient of thermal expansion of INVAR is between 6 . 10 -7 1 / K for the temperature range between 0 ° C and 100 ° C and 75 . 10 -7 1 / K for the temperature range between 0 ° C and 400 ° C.
  • hard glasses and ceramics which have an average coefficient of thermal expansion between 5 . 10 -6 and 10 .
  • the corresponding ceramics have 36 as main components Parts of nickel and 44 parts of iron or 42 parts of nickel and 48 Parts iron or 46 parts nickel and 54 parts iron.
  • the Toughened glasses and ceramics are used, for example, by vacuum melting under the names VACON 11, VACON 20, VACON 70 or VACODIL 36, VACODIL 42 and VACODIL 46.
  • a further improvement in the compensation of the thermal linear expansion of the piezoelectric actuator 2 is achieved in that the actuator is made of a corresponding material.
  • the actuator is made of a material that has a positive coefficient of expansion and expands as the temperature increases. For example, it is made of steel or a chrome alloy.
  • the coefficient of thermal expansion of the actuator is, for example, between 12-16 ⁇ 10 -6 1 / K.
  • LG . AG LP . AP
  • LG denotes the effective length of the housing 8
  • AG the thermal expansion coefficient of the housing 8
  • LP the length of the piezo actuator 2
  • AP the thermal expansion coefficient of the piezo actuator 2. It can be seen from FIG. 2 that the effective length of the housing LG extends from the lower edge of the cover plate 8 to the lower edge of the flange 12.
  • FIG. 3 shows a further development of the invention, which consists in that between the piezoelectric actuator 2 and the Cover plate 9 arranged at least one shim 15 is.
  • the shim 15 is made of a material that its thickness changes depending on the temperature.
  • Appropriate Materials include memory alloys, made of nickel-titanium or copper-zinc-aluminum alloys consist.
  • Draw memory alloys are characterized by the fact that they are in a temperature interval of approx. 10 K the volume and thus the thickness by an adjustable Change value.
  • the shim 15 is preferably made of a material that has a coefficient of thermal expansion of 12-16 ⁇ 10 -6 1 / K. Corresponding materials are, for example, steel or chrome alloys. As a result, the lower thermal expansion coefficient of the actuator 2 is compensated for compared to the actuator housing 8.
  • the arrangement according to Figure 3 works as follows: warmed the injection valve 1, the actuator housing expands 8 off and the piezoelectric actuator 2 contracts. This would result in the piezoelectric actuator 2 and the cover plate 9 a gap arise.
  • shims 15 which are chosen accordingly Temperatures will increase the volume prevents a gap from forming. In this way are different coefficients of thermal expansion between the piezoelectric actuator 2 and the actuator housing 8 balanced.
  • the shims 15 are in relation to the Alloy corresponding to the difference between the thermal Expansion coefficient of the piezoelectric actuator 2 and the coefficient of thermal expansion of the housing 8 is formed.
  • Figure 4 shows the deformation V, i.e. the change in thickness, in Dependence on the temperature T of a copper-zinc-aluminum alloy, that when heating from one Austenite start temperature deformed and a larger volume until the austenite end temperature is reached. Becomes the same alloy based on the austenite end temperature cooled down, so begins at a martensite temperature a reduction in volume, which at a Martenside end temperature ends.
  • a stack of several shims 15 provided at different temperatures change the volume. This will achieves that the stack decreases with increasing temperature Length of the piezoelectric actuator 2 by a corresponding one Compensates for increase in thickness. Through several Shims 15 will be uniform, over the temperature range distributed compensation of the change in length of the piezoelectric actuator 2 reached.
  • the shims 15 are preferably provided with a corresponding one Adjustment of the thermal expansion coefficient of the housing 8, the actuator 3 according to the figures 1 and 2 combined.
  • Figure 5 shows the thickness D of a stack consisting of five shims 15 exists, depending on the temperature T.
  • the thickness D of the stack increases given five Temperatures T1, T2, T3, T4 and T5 each within one small temperature difference of 10 ° Kelvin by a specifiable Value too. This way an almost linear change reached the thickness of the stack and thus a corresponding one Shortened the piezoelectric actuator 2 compensated.
  • the memory alloys have a high tensile strength and a high allowable stress so that the rigidity of the Connection between the piezoelectric actuator 2 and the Cover plate 9 is guaranteed.
  • the advantage of memory alloys is that a large volume capacity per Unit of volume and a full job in a small temperature interval of approx. 10 ° K is reached.
  • Memory alloys are, for example, in "actuators with shape memory alloys", by P. Schmidt-Mende.
  • the invention is based on the example of a piezoelectric actuator described, but applies to all actuators, one for Actuator housing with different thermal expansion coefficients exhibit.

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Abstract

The injection valve incorporates a controllable actuator (2). This is accommodated in an actuator housing (8) which is rigidly attached to a valve housing (19). The actuator is connected in effect to the injection needle (4) and controls it for fuel injection. The actuator housing of the valve especially has a coefficient of thermal expansion which is approximately equal to the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric actuator. This avoids trouble due to differential expansion during temperature changes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor und einem Aktorgehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und 3.The invention relates to an injection valve with a piezoelectric Actuator and an actuator housing according to the preamble of claims 1 and 3.

Ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor wird zur Ansteuerung einer Einspritznadel zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine verwendet.An injection valve with a piezoelectric actuator is used to control an injection needle for injecting Fuel used in an internal combustion engine.

Aus DE 35 33 085 A1 ist ein Einspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor bekannt, bei dem der piezoelektrische Aktor über einen Dämpfungskolben, ein Flüssigkeitspolster und einem Dämpfungsraum gegen das Aktorgehäuse vorgespannt ist. Bei einer Längenänderung des Aktors infolge von Temperaturschwankungen wird das Volumen des Ausgleichsraums verändert und somit die Längenänderung in Bezug auf den festgelegten Stellweg ausgeglichen.DE 35 33 085 A1 describes an injection valve with a piezoelectric one Actuator known in which the piezoelectric actuator via a damping piston, a liquid cushion and is biased against the actuator housing. If the actuator changes length due to temperature fluctuations the volume of the compensation room is changed and thus the change in length in relation to the specified one Travel balanced.

Die Aufgabe der Erfindung beruht darin, eine thermische Längenänderung des eines Aktors ohne eine Dämpfungskammer auszugleichen.The object of the invention is a thermal change in length of an actuator without compensating for a damping chamber.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 3 gelöst. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung beruht darin, daß das Aktorgehäuse in Bezug auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den Aktor angepaßt ist, der vorzugsweise als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist. Weiterhin wird in vorteilhafter Weise eine Kompensation der thermischen Längenänderung des Aktors gegenüber dem Aktorgehäuse dadurch erreicht, daß Ausgleichsscheiben vorgesehen sind, die die Längenänderung des Aktors ausgleichen. The object of the invention is achieved by the features of the claim 1 and 3 solved. A major advantage of the invention is based on the fact that the actuator housing with respect to the thermal expansion coefficient adapted to the actuator is, which is preferably designed as a piezoelectric actuator is. Furthermore, compensation is advantageous the thermal change in length of the actuator compared to the actuator housing achieved by providing shims that compensate for the change in length of the actuator.

Vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments and improvements of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
schematisch den Aufbau eines Einspritzventiles,
Figur 2
schematisch die für eine thermische Ausdehnung wirksamen Längen eines Einspritzventiles,
Figur 3
ein Einspritzventil mit Ausgleichsscheiben,
Figur 4
die Volumenänderung einer Ausgleichsscheibe in Abhängigkeit von der Temperatur und
Figur 5
die Dickenänderung eines Pakets aus mehreren Ausgleichsscheiben.
The invention is explained in more detail with reference to the figures. Show it:
Figure 1
schematically the structure of an injection valve,
Figure 2
schematically the lengths of an injection valve effective for thermal expansion,
Figure 3
an injector with shims,
Figure 4
the volume change of a shim depending on the temperature and
Figure 5
the change in thickness of a package consisting of several shims.

Figur 1 zeigt schematisch ein Einspritzventil 1 mit einem Ventilgehäuse 19, in dem eine Gehäuseausnehmung 7 eingebracht ist, die in eine Führungsbohrung 20 übergeht, die in eine Einspritzkammer 26 mündet. Die Führungsbohrung 20 ist an einen Kraftstoffkanal 6 angeschlossen, über den Kraftstoff zugeführt wird. In die Gehäuseausnehmung 7 ist ein Aktorgehäuse 8 eingebracht, das über zwei Flansche 12 und Schrauben 11 fest mit der Oberseite des Ventilgehäuses 19 verbunden ist. Zwischen den Flanschen 12 und der Oberseite des Ventilgehäuses 19 ist jeweils eine Justierplatte 13 eingebracht. Die Justierplatte 13 legt die Einbringtiefe des Aktorgehäuses 8 in das Ventilgehäuse 19 fest. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen der Grundplatte 21 des Gehäuses 8 und dem Bohrungsgrund 22 der Gehäuseausnehmung 7 festgelegt.Figure 1 shows schematically an injection valve 1 with a Valve housing 19, in which a housing recess 7 is introduced is, which merges into a guide bore 20, in a Injection chamber 26 opens. The guide bore 20 is at one Fuel channel 6 connected, supplied via the fuel becomes. An actuator housing is in the housing recess 7 8 introduced, the two flanges 12 and screws 11th is firmly connected to the top of the valve housing 19. Between the flanges 12 and the top of the valve housing 19, an adjustment plate 13 is introduced in each case. The adjustment plate 13 sets the insertion depth of the actuator housing 8 in the valve housing 19 fixed. This way the distance between the base plate 21 of the housing 8 and the bottom of the bore 22 of the housing recess 7 set.

Das Aktorgehäuse 8 ist als Hohlzylinder ausgebildet, der auf der Unterseite von der Grundplatte 21 begrenzt wird. Der Grundplatte 21 gegenüberliegend ist eine Deckplatte 9 auf das Aktorgehäuse 8 über Befestigungsschrauben 10 aufgeschraubt. The actuator housing 8 is designed as a hollow cylinder on the underside of the base plate 21 is limited. Of the Base plate 21 is opposite a cover plate 9 on the Screwed on actuator housing 8 using fastening screws 10.

Im Aktorgehäuse 8 sind zwei in Längsrichtung hintereinander angeordnete piezoelektrische Aktoren 2 angeordnet, wobei der obere piezoelektrische Aktor 2 an der Deckplatte 9 anliegt. Die piezoelektrischen Aktoren 2 sind über Ansteuerleitungen 17 mit einem Ansteuermittel 16 verbunden. In einer einfachen Ausführung ist nur ein piezoelektrischer Aktor 2 vorgesehen. Der untere piezoelektrische Aktor 2 wird von einem Stellglied 3 gehalten, das über eine Feder 14 gegen den unteren piezoelektrischen Aktor 2 gespannt ist. Auf diese Weise sind die piezoelektrischen Aktoren 2 gegen die Deckplatte 9 vorgespannt. Das Stellglied 3 geht von einer Halteplatte, in der der piezoelektrische Aktor 2 gelagert ist, in eine Ansteuerstange 23 über, die durch eine Öffnung der Bodenplatte 21 in die Führungsbohrung 20 geführt ist und an der Einspritznadel 4 anliegt.In the actuator housing 8 there are two one behind the other in the longitudinal direction arranged piezoelectric actuators 2, the upper piezoelectric actuator 2 abuts the cover plate 9. The piezoelectric actuators 2 are via control lines 17 connected to a control means 16. In a simple one Only one piezoelectric actuator 2 is provided. The lower piezoelectric actuator 2 is operated by an actuator 3 held by a spring 14 against the lower piezoelectric Actuator 2 is cocked. That way they are piezoelectric actuators 2 biased against the cover plate 9. The actuator 3 goes from a holding plate in the the piezoelectric actuator 2 is mounted in a control rod 23 over, through an opening of the bottom plate 21 in the guide bore 20 is guided and on the injection needle 4 is present.

Die Einspritznadel 4 wird in der Ruhestellung von einer Spannfeder 25 gegen die Ansteuerstange 23 vorgespannt, wobei die Einspritznadel 4 einen zugeordneten Dichtsitz 18 abdichtet. Dadurch ist die Einspritzkammer 26 von der Kraftstoffzuleitung 6 getrennt.The injection needle 4 is in the rest position of one Tension spring 25 biased against the control rod 23, wherein the injection needle 4 seals an associated sealing seat 18. As a result, the injection chamber 26 is off the fuel supply line 6 separated.

Die Funktionsweise des Einspritzventils 1 wird im folgenden näher erläutert: In der Ruhestellung wird der Piezoaktor 2 nicht vom Ansteuermittel 16 angesteuert und somit von der Feder 14 gegen die Deckplatte 9 vorgespannt. Die Einspritznadel 4 ist ebenfalls von der Spannfeder 25 auf den Dichtsitz 18 und gegen die Ansteuerstange 23 gedrückt. Es erfolgt keine Einspritzung, da die Kraftstoffzuleitung 6 von der Einspritzkammer 26 getrennt ist.The operation of the injection valve 1 is as follows explained in more detail: In the rest position, the piezo actuator 2 not controlled by the control means 16 and thus by the spring 14 biased against the cover plate 9. The injection needle 4 is also from the tension spring 25 to the sealing seat 18th and pressed against the control rod 23. There is no Injection since the fuel supply line 6 from the injection chamber 26 is separated.

Für eine Einspritzung steuert das Ansteuermittel 16 die piezoelektrischen Aktoren 2 an, so daß sich diese ausdehnen und dabei das Stellglied 3 in Richtung auf die Einspritznadel 4 gegen die Federkraft der Feder 14 und der Spannfeder 25 bewegen. Dabei wird die Einspritznadel 4 vom Dichtsitz 18 abgehoben und die Kraftstoffzuleitung 6 mit der Einspritzkammer 26 verbunden. Als Folge davon wird über die Düsenöffnungen 5 Kraftstoff abgegeben.The control means 16 controls the piezoelectric ones for an injection Actuators 2 so that they expand and the actuator 3 in the direction of the injection needle 4th move against the spring force of the spring 14 and the tension spring 25. The injection needle 4 is lifted off the sealing seat 18 and the fuel supply line 6 with the injection chamber 26 connected. As a result, the nozzle openings 5 Delivered fuel.

Der Einspritzvorgang wird vom Ansteuermittel 16 beendet, indem die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 abgebrochet wird, so daß sich der piezoelektrische Aktor 2 zusammenzieht und das Stellglied 3 von der Feder 14 in Richtung auf die Deckplatte 9 geschoben wird. Als Folge davon wird die Einspritznadel 4 von der Spannfeder 25 gegen den Dichtsitz 18 gepreßt, die Kraftstoffzuleitung 6 von der Einspritzkammer 26 getrennt und die Einspritzung gestoppt.The injection process is ended by the control means 16 by the control of the piezoelectric actuator 2 canceled is so that the piezoelectric actuator 2 contracts and the actuator 3 from the spring 14 toward the cover plate 9 is pushed. As a result, the Injection needle 4 from the tension spring 25 against the sealing seat 18th pressed, the fuel supply line 6 from the injection chamber 26th disconnected and the injection stopped.

Das Aktorgehäuse 8 ist durch die Justierplatten 13 derart justiert, daß in der Ruhestellung die Einspritznadel 4 auf dem zugeordneten Dichtsitz 18 aufliegt und die Einspritznadel 4 bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 vom zugeordneten Dichtsitz 18 abgehoben wird.The actuator housing 8 is adjusted by the adjustment plates 13 in such a way that in the rest position, the injection needle 4 on the assigned sealing seat 18 and the injection needle 4th when the piezoelectric actuator 2 is actuated by the associated one Sealing seat 18 is lifted off.

Die Justierung des Gehäuses 8 und des piezoelektrischen Aktors 2 mit dem Stellglied 3 und der Einspritznadel 4 ist jedoch relativ empfindlich in bezug auf thermische Längendehnungsänderungen. Erwärmt sich beispielsweise der piezoelektrische Aktor 2, so zieht sich der piezoelektrische Aktor 2 zusammen, da der thermische Ausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Materials einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Als Folge davon wird das Stellglied 3 von der Feder 14 in Richtung auf die Grundplatte 9 verschoben, so daß die Düsennadel 4 mit hoher Kraft auf den Dichtsitz 18 gepreßt wird. Dies hat zur Folge, daß eine Verspannung und damit eine Dejustierung des Aktors 2 in bezug auf die Einspritznadel 4 erfolgt, so daß ein sicheres Öffnen und Schließen der Düsenöffnung 5 nicht mehr gewährleistet ist. The adjustment of the housing 8 and the piezoelectric actuator 2 with the actuator 3 and the injection needle 4, however relatively sensitive to thermal elongation changes. For example, the piezoelectric heats up Actuator 2, the piezoelectric actuator 2 pulls together because the thermal expansion coefficient of the piezoelectric Material has a negative coefficient of thermal expansion having. As a result, the actuator 3 from the spring 14 in the direction of the base plate 9 moved so that the nozzle needle 4 with high force on the Sealing seat 18 is pressed. This has the consequence that a bracing and thus a misalignment of the actuator 2 in relation on the injection needle 4, so that a safe opening and closing the nozzle opening 5 no longer guaranteed is.

Figur 2 zeigt schematisch die Teile des Einspritzventiles, die bei einer thermischen Längenänderung von Bedeutung sind. In Figur 2 ist schematisch das Aktorgehäuse 8 mit der Deckplatte 9 und dem Anschlußflansch 12 dargestellt. Im Aktorgehäuse 8 ist ein piezoelektrischer Aktor 2 eingebracht, der an der Deckplatte 9 anliegt. Vorzugsweise sind zwei hintereinander angeordnete piezoelektrische Aktoren 2 entsprechend Figur 1 vorgesehen. Auf der Unterseite des piezoelektrischen Aktors 2 ist das Stellglied 3 mit der Feder 14 vorgesehen, das mit der Ansteuerstange 23 durch eine Öffnung der Grundplatte 21 ragt.FIG. 2 shows schematically the parts of the injection valve, which are important for a thermal change in length. In Figure 2 is the actuator housing 8 with the cover plate schematically 9 and the connecting flange 12 shown. In the actuator housing 8, a piezoelectric actuator 2 is introduced, the the cover plate 9 rests. Preferably two are in a row arranged piezoelectric actuators 2 according to figure 1 provided. On the underside of the piezoelectric actuator 2, the actuator 3 is provided with the spring 14, which with the control rod 23 through an opening of the base plate 21 protrudes.

Für eine Kompensation der thermischen Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 2 ist es vorteilhaft, daß das Aktorgehäuse 8 aus einem Material besteht, das im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Piezoaktor 2 aufweist. Insbesondere ist ein Ausdehnungskoeffizient für das Aktorgehäuse 8 vorteilhaft, der kleiner als

Figure 00050001
ist. Als vorteilhafte Materialien eignen sich Keramik, Quarzglas oder Hartgläser, die im wesentlichen Eisen und Nickel aufweisen. Eine bevorzugte Eisen- und Nickellegierung weist im wesentlichen 36% Nickel, 53% Eisen und geringe Teile Kohlenstoff, Silicium und Magnesium auf. Eine entsprechende Eisen-Nickel-Legierung wird unter dem Produktnamen INVAR von der Firma imphy vertrieben und weist 36% Nickel, 0,03% Kohlenstoff, 0,2% Silicium und 0,3% Magnesium und Eisen auf.To compensate for the thermal change in length of the piezoelectric actuator 2, it is advantageous that the actuator housing 8 is made of a material that has essentially the same thermal expansion coefficient as the piezo actuator 2. In particular, an expansion coefficient for the actuator housing 8 that is less than is advantageous
Figure 00050001
is. Ceramic, quartz glass or hard glasses, which essentially contain iron and nickel, are suitable as advantageous materials. A preferred iron and nickel alloy has essentially 36% nickel, 53% iron and small parts of carbon, silicon and magnesium. A corresponding iron-nickel alloy is sold by the company imphy under the product name INVAR and has 36% nickel, 0.03% carbon, 0.2% silicon and 0.3% magnesium and iron.

Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient von INVAR liegt zwischen 6.10-7 1/K für den Temperaturbereich zwischen 0°C und 100°C und 75.10-7 1/K für den Temperaturbereich zwischen 0°C und 400°C. The average coefficient of thermal expansion of INVAR is between 6 . 10 -7 1 / K for the temperature range between 0 ° C and 100 ° C and 75 . 10 -7 1 / K for the temperature range between 0 ° C and 400 ° C.

Weitere vorteilhafte Materialien sind Hartgläser und Keramiken, die einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 5.10-6 und 10.10-6 pro Grad Kelvin im Temperaturbereich von 20°C bis 400°C aufweisen. Diese bestehen beispielsweise aus 29 Teilen Nickel, 18 Teilen Kobold und 53 Teilen Eisen oder 28 Teilen Nickel, 21 Teilen Kobold und 51 Teilen Eisen oder 28 Teilen Nickel, 23 Teilen Kobold und 49 Teilen Eisen.Other advantageous materials are hard glasses and ceramics, which have an average coefficient of thermal expansion between 5 . 10 -6 and 10 . Have 10 -6 per degree Kelvin in the temperature range from 20 ° C to 400 ° C. These consist for example of 29 parts nickel, 18 parts goblin and 53 parts iron or 28 parts nickel, 21 parts goblin and 51 parts iron or 28 parts nickel, 23 parts goblin and 49 parts iron.

Die entsprechenden Keramiken weisen als Hauptbestandteile 36 Teile Nickel und 44 Teile Eisen oder 42 Teile Nickel und 48 Teile Eisen oder 46 Teile Nickel und 54 Teile Eisen auf. Die Hartgläser und Keramiken werden beispielsweise von der Vakuumschmelze unter den Bezeichnungen VACON 11, VACON 20, VACON 70 oder VACODIL 36, VACODIL 42 und VACODIL 46 vertrieben.The corresponding ceramics have 36 as main components Parts of nickel and 44 parts of iron or 42 parts of nickel and 48 Parts iron or 46 parts nickel and 54 parts iron. The Toughened glasses and ceramics are used, for example, by vacuum melting under the names VACON 11, VACON 20, VACON 70 or VACODIL 36, VACODIL 42 and VACODIL 46.

Eine weitere Verbesserung der Kompensation der thermischen Längenausdehnung des piezoelektrischen Aktors 2 wird dadurch erreicht, daß das Stellglied aus einem entsprechenden Material gefertigt ist. Das Stellglied ist aus einem Material gefertigt, das einen positiven Ausdehnungskoeffizienten aufweist und sich mit Zunahme der Temperatur ausdehnt. Beispielsweise ist es aus Stahl oder einer Chromlegierung hergestellt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stellgliedes liegt beispielsweise zwischen 12-16·10-61/K.A further improvement in the compensation of the thermal linear expansion of the piezoelectric actuator 2 is achieved in that the actuator is made of a corresponding material. The actuator is made of a material that has a positive coefficient of expansion and expands as the temperature increases. For example, it is made of steel or a chrome alloy. The coefficient of thermal expansion of the actuator is, for example, between 12-16 · 10 -6 1 / K.

Eine vorteilhafte Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten wird erreicht, wenn die Materialien und Geometrien nach folgender Formel (1) gewählt werden: LG.AG=LP.AP, wobei mit LG die effektive Länge des Gehäuses 8, mit AG der thermische Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 8, mit LP die Länge des Piezoaktors 2 und mit AP der thermische Ausdehnungskoeffizient des Piezoaktors 2 bezeichnet ist. Aus Figur 2 ist erkennbar, daß die effektive Länge des Gehäuses LG von der Unterkante der Deckplatte 8 bis zur Unterkante des Flansches 12 reicht.An advantageous compensation of the different expansion coefficients is achieved if the materials and geometries are selected according to the following formula (1): LG . AG = LP . AP, where LG denotes the effective length of the housing 8, AG the thermal expansion coefficient of the housing 8, LP the length of the piezo actuator 2 and AP the thermal expansion coefficient of the piezo actuator 2. It can be seen from FIG. 2 that the effective length of the housing LG extends from the lower edge of the cover plate 8 to the lower edge of the flange 12.

Eine weitere Verbesserung der thermischen Kompensation wird dadurch erreicht, daß die Formel (2) erfüllt ist: LG.AG=LP.AP+LS.AS, wobei mit LS die effektive Länge des Stellgliedes und mit AS der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stellgliedes bezeichnet ist.A further improvement in thermal compensation is achieved in that formula (2) is fulfilled: LG . AG = LP . AP + LS . AS, where LS is the effective length of the actuator and AS is the thermal expansion coefficient of the actuator.

Das Aktorgehäuse 8 weist vorzugsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten AG auf, der kleiner als 2.10-6 pro 1°K ist. Quarzglas hat beispielsweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von AQ=0,5.10-6 pro 1°K.The actuator housing 8 preferably has a thermal expansion coefficient AG that is less than 2 . Is 10 -6 per 1 ° K. Quartz glass, for example, has a thermal expansion coefficient of AQ = 0.5 . 10 -6 per 1 ° K.

Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, die darin besteht, daß zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und der Deckplatte 9 mindestens eine Ausgleichsscheibe 15 angeordnet ist. Die Ausgleichsscheibe 15 besteht aus einem Material, das in Abhängigkeit von der Temperatur seine Dicke ändert. Entsprechende Materialien sind beispielsweise Memory-Legierungen, die aus Nickel-Titan- oder Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen bestehen. Memory-Legierungen zeichnen sich dadurch aus, daß sie in einem Temperaturintervall von ca. 10 K das Volumen und damit auch die Dicke um einen einstellbaren Wert verändern.FIG. 3 shows a further development of the invention, which consists in that between the piezoelectric actuator 2 and the Cover plate 9 arranged at least one shim 15 is. The shim 15 is made of a material that its thickness changes depending on the temperature. Appropriate Materials include memory alloys, made of nickel-titanium or copper-zinc-aluminum alloys consist. Draw memory alloys are characterized by the fact that they are in a temperature interval of approx. 10 K the volume and thus the thickness by an adjustable Change value.

Die Ausgleichsscheibe 15 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 12-16·10-61/K aufweist. Entsprechende Materialien sind beispielsweise Stahl oder Chromlegierungen. Dadurch wird der geringere thermische Ausdehungskoeffizient des aktors 2 gegenüber dem Aktorgehäuse 8 ausgeglichen. The shim 15 is preferably made of a material that has a coefficient of thermal expansion of 12-16 · 10 -6 1 / K. Corresponding materials are, for example, steel or chrome alloys. As a result, the lower thermal expansion coefficient of the actuator 2 is compensated for compared to the actuator housing 8.

Die Anordnung nach Figur 3 funktioniert folgendermaßen: Erwärmt sich das Einspritzventil 1, so dehnt sich das Aktorgehäuse 8 aus und der piezoelektrische Aktor 2 zieht sich zusammen. Dadurch würde zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und der Deckplatte 9 ein Spalt entstehen. Durch das Einbringen von Ausgleichsscheiben 15, die bei entsprechend gewählten Temperaturen eine Vergrößerung des Volumens durchführen, wird verhindert, daß sich ein Spalt ausbildet. Auf diese Weise werden unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und dem Aktorgehäuse 8 ausgeglichen. Die Ausgleichsscheiben 15 sind in bezug auf die Legierung entsprechend der Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors 2 und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 8 ausgebildet.The arrangement according to Figure 3 works as follows: warmed the injection valve 1, the actuator housing expands 8 off and the piezoelectric actuator 2 contracts. This would result in the piezoelectric actuator 2 and the cover plate 9 a gap arise. By bringing in of shims 15, which are chosen accordingly Temperatures will increase the volume prevents a gap from forming. In this way are different coefficients of thermal expansion between the piezoelectric actuator 2 and the actuator housing 8 balanced. The shims 15 are in relation to the Alloy corresponding to the difference between the thermal Expansion coefficient of the piezoelectric actuator 2 and the coefficient of thermal expansion of the housing 8 is formed.

Figur 4 zeigt die Verformung V, d.h. die Dickenänderung, in Abhängigkeit von der Temperatur T einer Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung, die bei einer Erwärmung ab einer Austenit-Start-Temperatur verformt und ein größeres Volumen bis zum Erreichen der Austenit-Ende-Temperatur einnimmt. Wird die gleiche Legierung ausgehend von der Austenit-Ende-Temperatur abgekühlt, so beginnt bei einer Martensid-Temperatur eine Verkleinerung des Volumens, die bei einer Martensid-Ende-Temperatur endet.Figure 4 shows the deformation V, i.e. the change in thickness, in Dependence on the temperature T of a copper-zinc-aluminum alloy, that when heating from one Austenite start temperature deformed and a larger volume until the austenite end temperature is reached. Becomes the same alloy based on the austenite end temperature cooled down, so begins at a martensite temperature a reduction in volume, which at a Martenside end temperature ends.

In vorteilhafter Weise wird ein Stapel von mehrere Ausgleichsscheiben 15 vorgesehen, die bei unterschiedlichen Temperaturen eine Anderung des Volumens vornehmen. Dadurch wird erreicht, daß der Stapel mit zunehmender Temperatur die abnehmende Länge des piezoelektrischen Aktors 2 durch eine entsprechende Vergrößerung der Dicke ausgleicht. Durch mehrere Ausgleichsscheiben 15 wird eine gleichmäßige, über dem Temperaturbereich verteilte Kompensation der Längenänderung des piezoelektrischen Aktors 2 erreicht.Advantageously, a stack of several shims 15 provided at different temperatures change the volume. This will achieves that the stack decreases with increasing temperature Length of the piezoelectric actuator 2 by a corresponding one Compensates for increase in thickness. Through several Shims 15 will be uniform, over the temperature range distributed compensation of the change in length of the piezoelectric actuator 2 reached.

Vorzugsweise werden die Ausgleichsscheiben 15 mit einer entsprechenden Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 8, des Stellgliedes 3 entsprechend den Figuren 1 und 2 kombiniert.The shims 15 are preferably provided with a corresponding one Adjustment of the thermal expansion coefficient of the housing 8, the actuator 3 according to the figures 1 and 2 combined.

Figur 5 zeigt die Dicke D eines Stapels, der aus fünf Ausgleichsscheiben 15 besteht, in Abhängigkeit von der Temperatur T. Die Dicke D des Stapels nimmt bei fünf vorgegebenen Temperaturen T1, T2, T3, T4 und T5 jeweils innerhalb einer kleinen Temperaturdifferenz von 10°Kelvin um einen vorgebbaren Wert zu. Auf diese Weise wird eine nahezu lineare Änderung der Dicke des Stapels erreicht und damit eine entsprechende Verkürzung des piezoelektrischen Aktors 2 ausgeglichen.Figure 5 shows the thickness D of a stack consisting of five shims 15 exists, depending on the temperature T. The thickness D of the stack increases given five Temperatures T1, T2, T3, T4 and T5 each within one small temperature difference of 10 ° Kelvin by a specifiable Value too. This way an almost linear change reached the thickness of the stack and thus a corresponding one Shortened the piezoelectric actuator 2 compensated.

Die Memory-Legierungen weisen eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe zulässige Spannung auf, so daß die Steifigkeit der Verbindung zwischen dem piezoelektrischen Aktor 2 und der Deckplatte 9 gewährleistet ist. Der Vorteil der Memory-Legierungen besteht darin, daß eine große Volumenleistung pro Volumeneinheit und eine vollständige Arbeitsverrichtung in einem kleinen Temperaturintervall von ca. 10°K erreicht wird.The memory alloys have a high tensile strength and a high allowable stress so that the rigidity of the Connection between the piezoelectric actuator 2 and the Cover plate 9 is guaranteed. The advantage of memory alloys is that a large volume capacity per Unit of volume and a full job in a small temperature interval of approx. 10 ° K is reached.

Memory-Legierungen sind beispielsweise in "Aktoren mit Formgedächtnis-Legierungen", von P. Schmidt-Mende, beschrieben.Memory alloys are, for example, in "actuators with shape memory alloys", by P. Schmidt-Mende.

Die Erfindung ist am Beispiel eines piezoelektrischen Aktors beschrieben, trifft jedoch auf alle Aktoren zu, die einen zum Aktorgehäuse unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.The invention is based on the example of a piezoelectric actuator described, but applies to all actuators, one for Actuator housing with different thermal expansion coefficients exhibit.

Claims (8)

Einspritzventil mit einem steuerbaren Aktor (2), der in einem Aktorgehäuse (8) eingebracht ist, das fest mit einem Ventilgehäuse (19) verbunden ist, der in Wirkverbindung mit der Einspritznadel (4) steht und die Einspritznadel (4) zum Einspritzen von Kraftstoff steuert,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Aktorgehäuses (8) einen thermischen Ausdehnungskoeffizient aufweist, der nahezu gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors (2) ist. Injection valve with a controllable actuator (2), which is installed in an actuator housing (8) which is firmly connected to a valve housing (19), which is in operative connection with the injection needle (4) and controls the injection needle (4) for injecting fuel,
characterized, that the material of the actuator housing (8) has a thermal expansion coefficient which is almost equal to the thermal expansion coefficient of the piezoelectric actuator (2). Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (2) über ein Stellglied (3) auf die Einspritznadel (4) einwirkt, daß eine Gesammtlänge, die sich aus der Länge (lp) des Aktors (2) und der Länge (ls) des Stellgliedes (3) ergibt, und die Länge (lG) des Aktorgehäuses (8) ein vorgegebenes Längenverhältnis zueinander aufweisen, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Aktorgehäuses (8), der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stellgliedes (3) und der thermische Ausdehnungskoeffizienten des Aktors (2) derart aufeinander abgestimmt sind, daß bei einer Temperaturänderung das vorgegebene Längenverhältnis nahezu konstant bleibt.Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuator (2) via an actuator (3) on the injection needle (4) acts that a total length resulting from the Length (lp) of the actuator (2) and the length (ls) of the actuator (3) results, and the length (lG) of the actuator housing (8) a predetermined Have aspect ratio to each other that the thermal expansion coefficient of the actuator housing (8), the thermal expansion coefficient of the actuator (3) and the thermal expansion coefficient of the actuator (2) in this way are coordinated with each other that with a change in temperature the specified aspect ratio remains almost constant. Einspritzventil mit einem steuerbaren Aktor (2), der in einem Aktorgehäuse (8) eingebracht ist, das fest mit einem Ventilgehäuse (19) verbunden ist, der in Wirkverbindung mit der Einspritznadel (4) steht und die Einspritznadel (4) zum Einspritzen von Kraftstoff steuert,
dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (2) über ein Stellglied (3,23) auf die Einspritznadel (4) zur Steuerung eines Einspritzvorganges einwirkt, daß das Stellglied (3,23) über den piezoelektrischen Aktor (2) und über eine Ausgleichsscheibe (15) mit dem Aktorgehäuse (8) in Verbindung steht, und daß die Ausgleichsscheibe (15) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der eine thermische Längenänderung des piezoelektrischen Aktors (2) ausgleicht. Injection valve with a controllable actuator (2), which is installed in an actuator housing (8) which is firmly connected to a valve housing (19), which is in operative connection with the injection needle (4) and controls the injection needle (4) for injecting fuel,
characterized, that the actuator (2) acts via an actuator (3,23) on the injection needle (4) to control an injection process, that the actuator (3,23) via the piezoelectric actuator (2) and a shim (15) with the Actuator housing (8) is connected, and that the shim (15) has a thermal expansion coefficient which compensates for a thermal change in length of the piezoelectric actuator (2). Einspritzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsscheibe (15) mindestens teilweise aus einem Memory-Metall besteht, daß das Memory-Metall bei einem vorgegebenen Temperaturbereich das Volumen ändert.Injection valve according to claim 3, characterized in that the shim (15) at least partially from one Memory metal is made up of the memory metal at a given Temperature range changes the volume. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor als piezoelektrischer Aktor ausgebildet ist, und daß das Aktorgehäuse (8) aus einem Material besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner als 2 * 10-6 1/Kelvin ist, vorzugsweise aus Quarzglas oder Invar aufgebaut ist.Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuator is designed as a piezoelectric actuator, and that the actuator housing (8) consists of a material whose thermal expansion coefficient less than 2 * 10-6 1 / Kelvin is preferably made of quartz glass or Invar is. Einspritzventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ausgleichsscheiben (15) vorgesehen sind, die aus unterschiedlichen Legierungen bestehen, deren Temperaturbereiche, bei denen eine Volumenänderung auftritt, derart gewählt sind, daß eine thermische Längenänderung des Aktors (2) ausgeglichen wird, so daß die gesamte Länge, die sich aus der Länge des Aktors (2) und der Dicke der Ausgleichsscheiben (15) ergibt, im wesentlichen konstant bleibt.Injection valve according to claim 4, characterized in that several shims (15) are provided which are made of different alloys, their temperature ranges, in which a change in volume occurs, chosen in this way are that a thermal change in length of the actuator (2) is balanced so that the entire length resulting from the Length of the actuator (2) and the thickness of the shims (15) results to remain essentially constant. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (8) mindestens teilweise aus Keramik, oder Hartglas besteht, das im wesentlichen Eisen und Nickel aufweist. Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuator housing (8) is at least partially made of ceramic, or tempered glass, which is essentially iron and nickel having. Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (8) im wesentlichen aus einer Eisen- und Nickel-Legierung besteht, die im wesentlichen 36% Nickel, 53% Eisen und geringe Teile Kohlenstoff, Silizium und Magnesium aufweist.Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuator housing (8) consists essentially of an iron and Nickel alloy, which is essentially 36% nickel, 53% iron and small parts of carbon, silicon and magnesium having.
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