DE102012223212A1 - Fuel injector for use in motor vehicles, has electrical connector that is configured for energizing actuator formed of laminated electro-active polymers - Google Patents
Fuel injector for use in motor vehicles, has electrical connector that is configured for energizing actuator formed of laminated electro-active polymers Download PDFInfo
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die meisten derzeit bei einzelnen Systemen für Kraftstoff eingesetzten Aktoren sind entweder Piezoaktoren oder Magnetschaltventile. Mit derartigen Aktoren werden nadelförmig ausgebildete Ventilelemente, auch als Düsennadel bezeichnet, direkt oder indirekt angesteuert und geschaltet.Most of the actuators currently used with individual fuel systems are either piezo actuators or solenoid valves. With such actuators needle-shaped valve elements, also referred to as a nozzle needle, directly or indirectly driven and switched.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff einerseits die Herstellungskosten zu reduzieren und andererseits längere Schaltwege für ein nadelförmig ausgebildetes Ventilelement zu realisieren und die Schaltzeiten eines derartigen Betätigungselementes unter Umständen zu verkürzen. Des Weiteren kann der Einspritzverlauf definiert geformt werden.The present invention has for its object, on the one hand to reduce the manufacturing cost of a fuel injector for injecting fuel and on the other hand to realize longer switching paths for a needle-shaped valve element and to shorten the switching times of such an actuator under certain circumstances. Furthermore, the injection course can be defined defined.
Erfindungsgemäß wird ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der einen Aktor zur Betätigung eines nadelförmigen Ventilelementes umfasst, wobei der Aktor einen elektrischen Anschluss zur Bestromung aufweist und der Aktor zur Betätigung des Kraftstoffinjektors aus elektroaktiven Polymeren gebildet ist. According to the invention, a fuel injector is proposed, which comprises an actuator for actuating a needle-shaped valve element, wherein the actuator has an electrical connection for energizing and the actuator for actuating the fuel injector is formed from electroactive polymers.
Der Aktor aus elektroaktiven Polymeren kann entweder derart ausgebildet sein, dass eine Anzahl von elektroaktiven Polymeren in einer Stapelanordnung übereinander geschichtet ist, oder der Aktor aus elektroaktiven Polymeren aus einer gerollten oder gewickelten Anordnung elektroaktiver Polymere gebildet wird. Zu den elektroaktiven Polymeren sind ionische (feuchte) elektroaktive Polymere, wie z.B. leitfähige Polymere, ionische Metall-Polymer-Komposite und ionische Gele etc. sowie elektronische (trockene) elektroaktive Polymere wie z.B. elektrostriktive Polymere sowie piezoelektrische Polymere ferroelektrische Polymere sowie dielektrische Elastomere/Polymere etc. zu zählen. The electroactive polymer actuator can either be designed such that a number of electroactive polymers are stacked in a stacked arrangement, or the actuator is formed from electroactive polymers from a rolled or wound array of electroactive polymers. Among the electroactive polymers are ionic (wet) electroactive polymers, e.g. conductive polymers, ionic metal-polymer composites and ionic gels, etc., as well as electronic (dry) electroactive polymers such as e.g. electrostrictive polymers and piezoelectric polymers include ferroelectric polymers and dielectric elastomers / polymers, etc.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Fertigung des Aktors aus elektroaktiven Polymeren können im Gegensatz zu Piezokeramiken, welche teure Werkstoffe wie z.B. Blei-Zirkonat-Titanat erfordern, hier relativ kostengünstige Polymere eingesetzt werden. Bei der Verwendung von elektroaktiven Polymeren zur Fertigung von Aktoren lassen sich lange Schaltwege für eine direkte Steuerung des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes realisieren, was bei Piezoaktoren aufgrund der geringen Ausdehnung nicht möglich ist. Bei einer direkten Ansteuerung des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes kann der Einspritzverlauf geformt werden. Dies bedeutet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes während der gesamten Bewegung direkt durch Regelung der Ansteuerspannung des Aktors aus elektroaktiven Polymeren gesteuert werden kann. Des Weiteren ermöglicht der Einsatz von elektroaktiven Polymeren deutlich kürzere Schaltzeiten von Kraftstoffinjektoren, im Vergleich zu Magnetschaltventilen und daraus resultierend sehr geringe Einspritzraten. Die erfindungsgemäß eingesetzten Aktoren aus elektroaktiven Polymeren sind weich, im Gegensatz zu Piezokeramiken, die recht spröde sind. Diese Eigenschaft bietet enorme Vorteile in robuster Umgebung. Des Weiteren sind elektroaktive Polymere sehr einfach miniaturisierbar, und lassen sich lautlos schalten. Dadurch entfallen störende Klackergeräusche eines Piezo- oder eines Magnetinjektors, mit dem Kraftstoffinjektoren für Kraftfahrzeuge bisher betätigt wurden. Aufgrund des Umstandes, dass die elektroaktiven Polymere elastische Eigenschaften aufweisen, kann das nadelförmig ausgebildete Ventilelement in den Ventilsitz gedrückt werden, ohne dieses Bauteil zu zerstören. The inventively proposed production of the actuator of electroactive polymers, in contrast to piezoceramics, which expensive materials such. Lead zirconate titanate require relatively inexpensive polymers are used here. When using electroactive polymers for the production of actuators can be long switching paths for a direct control of the needle-shaped valve element realize, which is not possible with piezo actuators due to the small size. In a direct control of the needle-shaped valve element, the injection profile can be formed. This means that the movement speed and the direction of movement of the needle-shaped valve element during the entire movement can be controlled directly by controlling the driving voltage of the actuator of electroactive polymers. Furthermore, the use of electroactive polymers allows significantly shorter switching times of fuel injectors, compared to solenoid valves and resulting very low injection rates. The actuators made of electroactive polymers used according to the invention are soft, in contrast to piezoceramics, which are quite brittle. This feature offers tremendous benefits in a rugged environment. Furthermore, electroactive polymers are very easy to miniaturize, and can be switched silently. This eliminates disturbing Klackergeräusche a piezo or a Magnetinjektors, were previously operated with the fuel injectors for motor vehicles. Due to the fact that the electroactive polymers have elastic properties, the needle-shaped valve element can be pressed into the valve seat without destroying this component.
In einer möglichen Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors kann der Aktor aus elektroaktiven Polymeren von einem Schrumpfschlauch umschlossen, kraftstoffresistent beschichtet oder in eine Metallhülse eingebracht werden. Der Aktor aus elektroaktiven Polymeren ist am Aktorfuß einer Befestigungsstelle mit einem Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors wahlweise kraft-, stoff- oder formschlüssig verbunden.In a possible embodiment variant of the fuel injector proposed according to the invention, the actuator made of electroactive polymers can be enclosed by a heat-shrinkable tube, coated in a fuel-resistant manner or introduced into a metal sleeve. The actuator of electroactive polymers is optionally non-positively, material or positively connected to the actuator base of an attachment point with an injector of the fuel injector.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor erstreckt sich dieser durch einen Freiraum auf einer Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors, der durch das Injektorgehäuse nach außen begrenzt ist. Zwischen dem Aktor aus elektroaktiven Polymeren und dem nadelförmig ausgebildeten Ventilelement, d.h. der Düsennadel des Kraftstoffinjektors, kann einerseits eine direkte Verbindung, beispielsweise in Gestalt einer stoffschlüssigen Verbindung wie beispielsweise einer Schweißverbindung bestehen; andererseits ist es auch möglich, dass das nadelförmig ausgebildete Ventilelement, d.h. die Düsennadel indirekt über ein Kopplermodul durch Druckänderung in einem Steuerraum das nadelförmig ausgebildete Ventilelement betätigt. In the inventively proposed fuel injector, this extends through a free space on a low pressure side of the fuel injector, which is bounded by the injector to the outside. Between the actuator of electroactive polymers and the needle-shaped valve member, i. the nozzle needle of the fuel injector, on the one hand, a direct connection, for example in the form of a cohesive connection such as a welded joint exist; On the other hand, it is also possible that the needle-shaped valve element, i. the nozzle needle indirectly actuates the needle-shaped valve element via a coupler module by changing the pressure in a control chamber.
In der erstgenannten Alternative ist der Aktor über ein Kopplerstück oder dem Aktorkopf fest mit dem nadelförmig ausgebildeten Ventilelement verbunden, wobei die Verbindung starr ausgeführt ist. In the former alternative, the actuator is firmly connected with a coupler piece or the actuator head connected to the needle-shaped valve element, wherein the connection is rigid.
Der Aktor aus elektroaktiven Polymeren kann über ein Federelement am Boden eines Hohlraums des Kraftstoffinjektors abgestützt sein. The actuator of electroactive polymers may be supported via a spring element at the bottom of a cavity of the fuel injector.
Das nadelförmige Ventilelement selbst, oder ein Kopplerstück des Kopplermoduls können in einer Zwischenscheibe geführt sein, an der sich wiederum eine Schließfeder abstützt, die das nadelförmig ausgebildete Ventilelement d.h. die Düsennadel in Schließrichtung beaufschlagt. Die erwähnte Schließfeder kann in einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors auf eine Einstellscheibe wirken, die zur Einstellung der Öffnungskraft am nadelförmigen Ventilelement vorgesehen ist. Der Aktor aus elektroaktiven Polymeren kann in einen Füllstoff eingebettet sein, welcher sich in einer Metallhülse befindet. Diese Hülse ist durch eine Membran oder einen Balg verschlossen, so dass der Füllstoff bzw. die Füllmasse innerhalb des Freiraumes zwischen dem Aktor aus elektroaktiven Polymeren und der Innenseite der Metallhülse des Aktormoduls verbleibt. Das Aktormodul befindet sich im Injektorgehäuse des Kraftstoffinjektors.The needle-shaped valve element itself, or a coupler piece of the coupler module can be guided in an intermediate disc, on which in turn a closing spring is supported, which forms the needle-shaped valve element i. the nozzle needle is acted upon in the closing direction. The mentioned closing spring can act in an advantageous embodiment of the inventively proposed fuel injector on a shim, which is provided for adjusting the opening force on the needle-shaped valve member. The actuator of electroactive polymers can be embedded in a filler, which is located in a metal sleeve. This sleeve is closed by a membrane or a bellows, so that the filler or the filling material remains within the free space between the actuator of electroactive polymers and the inside of the metal sleeve of the actuator module. The actuator module is located in the injector housing of the fuel injector.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors kann der Aktor aus elektroaktiven Polymer von einer Kunststoffbeschichtung, insbesondere Fluorsilikon, Fluorkautschuk und/oder Parylene und/oder einem Schrumpfschlauch umgeben sein. Der Aktor aus elektroaktiven Polymeren kann an seinem Aktorkopf an einer Verbindung starr entweder mit einer Stirnseite des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes die unmittelbar oder mit einer Stirnseite des Koppelstücks stoffschlüssig gefügt sein.In a further advantageous embodiment of the fuel injector proposed according to the invention, the actuator made of electroactive polymer can be surrounded by a plastic coating, in particular fluorosilicone, fluororubber and / or parylene and / or a heat-shrinkable tube. The actuator made of electroactive polymers may be rigidly joined to its actuator head at a connection either with an end face of the needle-shaped valve element directly or with an end face of the coupling piece.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Vorzugsweise wird der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktor aus elektroaktiven Polymeren in Stapelanordnung ausgebildet, wobei mehrere dünn ausgebildete Schichten übereinander angeordnet werden. Einen Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktors aus elektroaktiven Polymeren ist der Umstand, dass die Bewegungsrichtung eines derartigen Aktors in Stapelanordnung gleich ist, wie die Öffnungsrichtung des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes, d.h. der Düsennadel. Daher kann auf Kopplermodule oder Ventile für eine andernfalls erforderliche Umkehrung der Bewegungsrichtung verzichtet werden. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Aktor aus elektroaktiven Polymeren zieht sich bei Bestromung zusammen. Einerseits besteht bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die Möglichkeit, das nadelförmig ausgebildete Düsenelement direkt mit dem Aktormodul zu verbinden, um einem Direktschalter zu erhalten. Dies macht ein zusätzliches Ventil zum Steuern überflüssig. Es können vergleichsweise große Hübe mit einem derartig ausgebildeten Aktor realisiert werden, wobei dieser bei Betrieb ein äußerst geringes Geräuschniveau aufweist. Des Weiteren kann der erfindungsgemäß vorgeschlagene Aktor aus elektroaktiven Polymeren gekapselt ausgebildet werden, auch eine Beschichtung oder der Einsatz eines Schrumpfschlauches sind möglich. Ferner ist der erfindungsgemäß vorgeschlagene Aktor aus elektroaktiven Polymeren elastischer als Aktoren, die aus Piezokeramik gefertigt werden; deshalb ist eine Sitzbeschädigung durch Auftreffen des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes im Ventilsitz nicht zu befürchten.Preferably, the inventively proposed actuator is formed of electroactive polymers in a stacked arrangement, wherein a plurality of thin layers formed are stacked. An advantage of the electroactive polymer actuator proposed according to the invention is the fact that the direction of movement of such an actuator in a stacked arrangement is the same as the opening direction of the needle-shaped valve element, i. the nozzle needle. Therefore, it is possible to dispense with coupler modules or valves for otherwise necessary reversal of the direction of movement. The inventively proposed actuator of electroactive polymers contracts when energized. On the one hand, in the solution proposed according to the invention, it is possible to connect the needle-shaped nozzle element directly to the actuator module in order to obtain a direct switch. This eliminates the need for an additional valve to control. It can be realized with such a trained actuator relatively large strokes, which has an extremely low noise level during operation. Furthermore, the actuator proposed according to the invention can be formed encapsulated from electroactive polymers, also a coating or the use of a shrink tube are possible. Furthermore, the inventively proposed actuator of electroactive polymers is more elastic than actuators, which are made of piezoceramic; Therefore, a seat damage by hitting the needle-shaped valve element in the valve seat is not to be feared.
Die Ansteuerung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktors aus elektroaktiven Polymeren erfolgt durch ein Steuergerät, welches während der gesamten Öffnungs- und Schließbewegung des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes die Spannung und damit die Bewegungsgeschwindigkeit des nadelförmig ausgebildeten Ventilelementes steuert bzw. regelt. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktor des elektroaktiven Polymeren können Drücke bis 100 MPa erzeugt werden. Ein Aktor ausgebildet als gewickelter Aktor könnte auch bei heute bestehenden Systemen, die beispielsweise durch Piezoaktoren betätigt werden, eingesetzt werden und diese ersetzen was einen Kostenvorteil nach sich zöge.The activation of the inventively proposed actuator made of electroactive polymers is carried out by a control device which controls or regulates the voltage and thus the speed of movement of the needle-shaped valve element during the entire opening and closing movement of the needle-shaped valve element. With the inventively proposed actuator of the electroactive polymer pressures up to 100 MPa can be generated. An actuator designed as a wound actuator could also be used in existing systems that are operated for example by piezoelectric actuators, and replace them which would entail a cost advantage.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.
Es zeigt:It shows:
Stützung des Federelements, mit im Hochdruck befindlichen Aktor aus elektroaktiven Polymeren,Support of the spring element, with high pressure actuator made of electroactive polymers,
Ausführungsvariantenvariants
Der Darstellung gemäß
Der in
Das Düsenmodul
Aus
Unterhalb der Zwischenscheibe
In der Ausführungsvariante gemäß
Im Gegensatz zu
Aus der Darstellung gemäß
Wie des Weiteren aus der Schnittdarstellung gemäß
Wie aus
Der Darstellung gemäß
Auch in der Ausführungsvariante gemäß
Wie
Das nadelförmig ausgebildete Ventilelement
Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß
Der Aktor
Auch in der Ausführungsvariante gemäß
In der Ausführungsvariante gemäß
Das nadelförmig ausgebildete Ventilelement
Wie aus der Darstellung gemäß
In der Ausführungsvariante gemäß
Gemäß der Darstellung in
Im Unterschied zur Darstellung gemäß
Der Aktorkopf
In den
Der Darstellung gemäß
Mit Bezugszeichen
Ein gewickelter oder ein gerollter Aktor
Den Darstellungen gemäß der
So zeigt beispielsweise
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