DE102004030606A1

DE102004030606A1 - Piezoelectric actuator for a fuel injector of an internal combustion engine and use thereof

Info

Publication number: DE102004030606A1
Application number: DE102004030606A
Authority: DE
Inventors: Marcus Unruh; Manfred Weisse
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: WO2006000518A1; DE102004030606B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Temperaturkompensation bei einem piezoelektrischen Stellantrieb, welcher eine hülsenförmige Gehäuseanordnung (12) und einen darin angeordneten Piezoaktor aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Außenumfangsfläche (18) der Gehäuseanordnung (12) wenigstens eine Aussparung (20) aufweist, in welcher axial passend oder mit geringfügigem axialen Spiel wenigstens ein Schubteil (22) aufgenommen ist, welches aus einem Material gebildet ist, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das der Aussparung (20) benachbarte Material der Gehäuseanordnung (12).The invention relates to the temperature compensation in a piezoelectric actuator, which has a sleeve-shaped housing arrangement (12) and a piezoelectric actuator arranged therein. According to the invention, an outer peripheral surface (18) of the housing arrangement (12) has at least one recess (20), in which axially fitting or with slight axial play at least one thrust part (22) is formed, which is formed from a material which has a larger thermal expansion coefficient than that of the recess (20) adjacent material of the housing assembly (12).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung eines derartigen Stellantriebs.The The present invention relates to an actuator for a Fuel injector of an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and the use of such an actuator.

Ein derartiger Stellantrieb ist beispielsweise aus der DE 198 58 085 C1 bekannt und umfasst einen länglichen piezoelektrischen Aktor, dessen bei Ansteuerung resultierende Längenänderung in Axialrichtung auf ein hydraulisches Servoventil eines Kraftstoffinjektors übertragen wird. Hierzu steht eine Bodenplatte des Piezoaktors über einen Hebelübersetzer mit einem axial geführten Ventilkolben des Servoventils in Wirkverbindung. Die vom Piezoaktor mittels des Hebelübersetzers auf den Ventilkolben übertragene Bewegung wird im Kraftstoffinjektor zum Öffnen und Schließen eines Kraftstoff-Einspritzventils genutzt.Such an actuator is for example from the DE 198 58 085 C1 and comprises an elongate piezoelectric actuator, the change in length resulting in the control is transmitted in the axial direction to a hydraulic servo valve of a fuel injector. For this purpose, a bottom plate of the piezoelectric actuator via a lever translator with an axially guided valve piston of the servo valve in operative connection. The movement transmitted by the piezoelectric actuator by means of the lever translator to the valve piston movement is used in the fuel injector for opening and closing a fuel injection valve.

Die Verwendung eines derartigen Stellantriebs in einer Umgebung mit sich verändernder Temperatur ist insofern problematisch, als es hierbei auf Grund der thermischen Ausdehnung der verwendeten Werkstoffe zu Längenänderungen kommt, die sich in unerwünschter Weise auf die Funktion und Ansteuercharakteristik des Stellantriebs und somit der damit gesteuerten Komponente (z. B. Einspritzventil) auswirken können. Besonders nachteilig ist hierbei die temperaturabhängige Änderung der axialen Lageverhältnisse im Bereich der Wirkverbindung.The Use of such an actuator in an environment with changing Temperature is problematic insofar as it is due to the thermal expansion of the materials used to length changes that comes in unwanted Way to the function and drive characteristic of the actuator and thus the component controlled thereby (eg injection valve) can affect. Particularly disadvantageous here is the temperature-dependent change the axial positional relationships in the area of the active compound.

Bei bekannten Injektorkonstruktionen wird diese Temperaturabhängigkeit oftmals insofern berücksichtigt, als ein mehr oder weniger großer axialer Spalt im Wirkungsweg vom Aktor zu einem Ventilkörper vorgesehen wird, der als Toleranzbereich für eine unerwünschte Abweichung und/oder Änderung der axialen Dimensionen dient. Doch auch bei Vorsehen eines solchen Toleranzspalts wirken sich Temperaturänderungen nachteilig aus, da die Größe des Spalts (Leerhub) verändert wird.at known injector designs this temperature dependence often taken into account as a more or less big one axial gap provided in the path of action from the actuator to a valve body is used as the tolerance range for an undesirable Deviation and / or change the axial dimensions is used. But even with the provision of such Tolerance gap affect temperature changes disadvantageous since the size of the gap (Idle stroke) changed becomes.

Aus der DE 195 38 791 C2 ist ein Piezosteuerventil für Kraftstoffeinspritzanlagen bekannt, bei welchem der Piezoaktor in einem als zweiteilige Hülse ausgebildeten Ventilgehäuse angeordnet ist, dessen Hülsenteile koaxial zueinander liegen und aus verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. In einem Ausführungsbeispiel ist ein unterer Hülsenteil aus üblichem Stahl gefertigt, während ein oberer Hülsenteil aus Invar hergestellt ist. Damit ist es möglich, eine annähernd gleiche Längenausdehnung des im Wesentlichen aus Keramik bestehenden Piezoaktors einerseits und des zweiteiligen Ventilgehäuses andererseits zu erhalten, so dass die Summe der Wärmedehnungen dieser Hülsenteile der Wärmedehnung des Piezoaktors entspricht. Vorteilhaft können damit temperaturabhängige Änderungen des axialen Abstands zwischen einem Aktorboden und einem in Wirkverbindung damit stehenden Verschlussstück relativ klein gehalten werden. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch die mangelnde Flexibilität der Temperaturkompensation, da die beschriebene Werkstoffkombination und Gehäusekonstruktion nur eine bestimmte Abhängigkeit zwischen Temperatur und Längenänderung der Piezokeramik kompensieren kann. Ferner ist das zweiteilige, mehrere Materialien kombinierende Ventilgehäuse aufwändiger herzustellen im Vergleich zu einem aus nur einem Material gefertigten Gehäuse.From the DE 195 38 791 C2 a piezo control valve for fuel injection systems is known in which the piezoelectric actuator is arranged in a valve housing designed as a two-part sleeve, the sleeve parts are coaxial with each other and consist of different materials with different thermal expansion coefficients. In one embodiment, a lower sleeve part is made of ordinary steel while an upper sleeve part is made of Invar. This makes it possible to obtain an approximately equal length extension of the essentially ceramic piezoelectric actuator on the one hand and the two-part valve housing on the other hand, so that the sum of the thermal expansions of these sleeve parts corresponds to the thermal expansion of the piezoactuator. Advantageously, temperature-dependent changes of the axial distance between an actuator base and a closure piece operatively connected therewith can thus be kept relatively small. A disadvantage of this solution, however, is the lack of flexibility of the temperature compensation, since the material combination and housing construction described can only compensate for a certain dependence between temperature and change in length of the piezoceramic. Furthermore, the two-piece valve housing combining several materials is more complicated to produce compared to a housing made of only one material.

Aus der DE 101 30 857 A1 ist ein elektronischer Kompensator für einen piezoelektrischen Stellantrieb bekannt. Zur Kompensation der Wärmeausdehnung bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen wird die Größe eines axialen Spalts im Bereich einer Wirkverbindung zwischen einem als Kappe ausgebildeten Aktorboden und einem als Schaft ausgebildeten Stellglied mittels einer Abtastspule gemessen und über einen Regelkreis kompensiert. Diese Kompensation erfolgt durch Ansteuerung eines hierfür vorgesehenen Satzes von mehreren Sätzen von piezoelektrischen Elementen eines Piezostapels. Nachteilig ist jedoch der zusätzliche Aufwand, der für die Erfassung, Auswertung und Regelung der Spaltgröße erforderlich ist.From the DE 101 30 857 A1 An electronic compensator for a piezoelectric actuator is known. To compensate for the thermal expansion under different operating conditions, the size of an axial gap in the region of an operative connection between an actuator base designed as a cap and an actuator designed as a shaft is measured by means of a scanning coil and compensated via a control loop. This compensation takes place by driving a set of several sets of piezoelectric elements of a piezo stack provided for this purpose. However, a disadvantage is the additional effort required for the detection, evaluation and control of the gap size.

Schließlich ist aus der DE 199 09 106 A1 ein temperaturkompensierter Stellantrieb mit einem Piezoaktor bekannt, der in einem aus drei Hülsen bestehenden Gehäuse angeordnet ist. Diese Hülsen sind form- und/oder kraftschlüssig ineinander gesteckt und zu einem einzigen Bauteil verbunden. Die Werkstoffkombination der drei Hülsen ist hierbei so gewählt, dass deren thermische Ausdehnung an die des Piezoaktors angepasst ist. Nachteilig ist bei dieser Lösung jedoch wieder eine eingeschränkte Flexibilität der Temperaturkompensation zur Anpassung an abgeänderte Stellantriebskonstruktionen. Ferner ist die Bildung des Gehäuses aus drei ineinander gesteckten Hülsen relativ aufwändig in der Werkstoffbearbeitung und Montage.Finally, out of the DE 199 09 106 A1 a temperature-compensated actuator with a piezoelectric actuator known, which is arranged in a housing consisting of three sleeves. These sleeves are positively and / or non-positively inserted into one another and connected to form a single component. The material combination of the three sleeves is chosen so that their thermal expansion is adapted to that of the piezoelectric actuator. A disadvantage of this solution, however, again limited flexibility of the temperature compensation for adaptation to modified actuator designs. Furthermore, the formation of the housing of three nested sleeves is relatively expensive in material processing and assembly.

Eine auf internen betrieblichen Kenntnissen der Anmelderin beruhende Lösung zur Temperaturkompensation besteht darin, das Stellantriebgehäuse, welches den im Wesentlichen aus Keramik bestehenden Piezoaktor enthält, vollständig aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten herzustellen. Es hat sich hierbei jedoch herausgestellt, dass die thermischen Ausdehnungsunterschiede, die zu der nachteiligen Änderung der axialen Lageverhältnisse im Bereich der Wirkverbindung führen, dadurch überkompensiert werden. Um diese Überkompensation zu beseitigen, ist es z. B. möglich, anstelle eines aus Stahl hergestellten Stellglieds (Ventilkolben) ein Stellglied aus einem Werkstoff vorzusehen, der gegenüber Stahl einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt (z. B. Cermet). Letztere Maßnahme führt jedoch wieder zu höheren Material- und/oder Bearbeitungskosten für das Stellglied und wieder zu einer mangelnden Flexibilität hinsichtlich der Anpassung der Temperaturkompensation an die konkrete Installationsumgebung und Stellantriebskonstruktion.A temperature compensation solution based on Applicant's internal operational knowledge is to make the actuator housing, which contains the substantially ceramic piezoelectric actuator, entirely of an iron-nickel alloy having a very small coefficient of thermal expansion. It has been found, however, that the thermal expansion differences, which lead to the adverse change in the axial positional relationships in the region of the active compound, thereby overcompensated. To this overcompensation to eliminate it is z. For example, it is possible to provide, instead of a steel-made actuator (valve piston), an actuator made of a material which has a smaller thermal expansion coefficient than steel (eg cermet). However, the latter measure again leads to higher material and / or processing costs for the actuator and again to a lack of flexibility with regard to the adaptation of the temperature compensation to the actual installation environment and Stellantriebskonstruktion.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Stellantrieb der eingangs erwähnten Art eine kostengünstige und einfache Temperaturkompensation zu ermöglichen.It is an object of the present invention, in an actuator of the type mentioned a cost-effective and to allow easy temperature compensation.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Stellantrieb nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.These Task is solved with an actuator according to claim 1. The dependent claims relate advantageous developments of the invention.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb ist vorgesehen, dass eine Außenumfangsfläche der Gehäuseanordnung wenigstens eine Aussparung aufweist, in welcher axial passend oder mit geringfügigem axialen Spiel wenigstens ein Schubteil aufgenommen ist, welches aus einem Material gebildet ist, das einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das der Aussparung benachbarte Material der Gehäuseanordnung. Damit ist es in einfacher Weise möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäusematerials "künstlich zu erhöhen", da das oder die Schubteile zumindest ab einer be stimmten Temperatur eine zusätzliche Dehnung der Gehäuseanordnung in Axialrichtung bewirken. Damit ist es insbesondere möglich, ein sehr einfach aus einem einzigen Material wie die erwähnte Eisen-Nickel-Legierung aufgebautes, jedoch an sich hinsichtlich der verwendeten Piezokeramik überkompensiertes Gehäuse durch entsprechende Gestaltung und Materialauswahl des oder der Schubteile zu optimieren.at the actuator according to the invention is provided that an outer peripheral surface of housing arrangement has at least one recess in which axially matching or with slight axial play at least one thrust part is added, which is formed of a material having a larger coefficient of thermal expansion has as the recess of the adjacent material of the housing assembly. This makes it possible in a simple manner, the thermal expansion coefficient of the housing material "artificially increase," as that or the Shear parts at least from a certain temperature be an additional stretch the housing arrangement effect in the axial direction. This makes it possible in particular, a very simply from a single material like the mentioned iron-nickel alloy constructed, but in itself overcompensated with respect to the piezoceramic used casing by appropriate design and material selection of the or To optimize push parts.

Der Begriff "axial passend oder mit geringfügigem axialen Spiel" bedeutet hierbei, dass die dehnende Wirkung des Schubteils ab einer Grenztemperatur einsetzt, die nicht überhalb der im Betrieb zu erwartenden Maximaltemperatur liegt. Wenn diese Grenztemperatur unterhalb der in der Praxis zu erwartenden Minimaltemperatur liegt, so wirkt das betreffende Schubteil permanent im Sinne einer axialen Dehnung der Gehäuseanordnung. Wenn die Grenztemperatur dagegen innerhalb des in der Praxis zu erwartenden Temperaturbereiches liegt, so gibt es einen Temperaturbereich ohne zusätzliche Dehnungswirkung (unterhalb der Grenztemperatur) und einen Betriebsbereich mit der zusätzlichen Dehnungswirkung (über der Grenztemperatur).Of the Term "axially fitting or with slight axial play "means Here, that the stretching effect of the pushing part from a limit temperature which does not exceed half the expected during operation maximum temperature is. If this limit temperature is below the expected minimum temperature in practice, Thus, the relevant thrust part permanently acts in the sense of an axial stretching the housing arrangement. If the limit temperature, however, within the expected in practice Temperature range is, so there is a temperature range without additional Strain effect (below the limit temperature) and an operating range with the additional Stretching effect (over the limit temperature).

Der erfindungsgemäße Stellantrieb findet eine vorteilhafte Verwendung z. B. für einen Kraftstoffinjektor eines Common-Rail-Dieseleinspritzsystems, da die beim Betrieb derartiger Systeme auftretenden großen Temperaturschwankungen (typisch z. B. von –40°C bis +160°C) durch das oder die Schubteile gut gehandhabt werden können.Of the actuator according to the invention finds an advantageous use z. B. for a fuel injector a common rail diesel injection system, because the large temperature fluctuations that occur during the operation of such systems (typically, for example, from -40 ° C to + 160 ° C) the one or more push parts can be handled well.

Bei Installationsumgebungen, in denen die Wirkverbindung zwischen Aktorboden und Stellglied einen gewissen Leerhub des Piezoaktors vorsieht, der z. B. durch einen axialen Spalt zwischen Aktorboden und Stellglied oder zwischen anderen Kom ponenten im Wirkungsweg zwischen Piezoaktor und zu verstellender Einrichtung realisiert wird, ist es vorteilhaft möglich, diesen Leerhub über den gesamten in der Praxis genutzten Temperaturbereich wenigstens annähernd konstant zu halten. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stellantriebs besteht darin, dass die Anzahl, Anordnung und Gestaltung der Aussparungen) und des bzw. der darin aufgenommenen Schubteile flexibel an die Konstruktion und Temperaturcharakteristik der übrigen Stellantriebkomponenten angepasst werden können. Somit ist es insbesondere möglich, bei Änderungen im Aufbau des Piezoaktors von Ausführung zu Ausführung, die ein geändertes thermisches Ausdehnungsverhalten mit sich bringen können, mit vergleichsweise geringem konstruktiven Aufwand die gewünschte Temperaturkompensation anzupassen. Eine solche Anpassung kann beispielsweise erfolgen durch geringfügige Änderungen bei der Formgebung und Dimensionierung der Aussparungen und der Schubteile.at Installation environments in which the operative connection between actuator floor and actuator provides a certain idle stroke of the piezoelectric actuator, the z. B. by an axial gap between the actuator base and actuator or between other components in the path of action between the piezoactuator and realized to be adjusted device, it is advantageous possible, over this idle stroke the entire temperature range used in practice at least approximately constant to keep. Another advantage of the actuator according to the invention is that the number, arrangement and design of the recesses) and the one or more therein received push parts flexible to the Construction and temperature characteristics of the other actuator components can be adjusted. Thus, it is possible in particular in case of changes in the structure of the piezoelectric actuator from execution to execution, the a changed one thermal expansion behavior can bring, with comparatively low design effort the desired temperature compensation adapt. Such an adaptation can be done for example by minor changes in the shaping and dimensioning of the recesses and the Sliding parts.

Die prinzipiell denkbare Verwendung eines hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten speziell gewählten und mithin eher teuren und unter Umständen aufwändig zu bearbeitenden Stellglieds, z. B. aus Cermet, ist entbehrlich. Vielmehr kann kostengünstig für das Stellglied eine Herstellung größtenteils z. B. aus Stahl vorgesehen sein, wobei das Stellglied beispielsweise der Ventilbetätigungskolben eines Hydraulikventils sein kann, welches sich an dem zweiten Ende der Gehäuseanordnung befindet oder sich daran anschließt.The in principle conceivable use of a thermal Expansion coefficients specially selected and therefore rather expensive and possibly costly to be processed actuator, z. B. from cermet, is unnecessary. Rather, it can be inexpensive for the Actuator a manufacturing mostly z. B. be provided from steel, wherein the actuator, for example the valve actuating piston a hydraulic valve may be located at the second end the housing arrangement is located or attached to it.

Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb ergibt sich eine vergrößerte Freiheit in der Werkstoffauswahl der Bauteile des Stellantriebs sowie damit verbundener Komponenten, was vor allem hinsichtlich des Aspekts der Kosteneinsparung sowie des Aspekts der Flexibilität bei der Konstruktion interessant ist. Die mittels der Schubteile bewirkbare große und individuell an die Gesamtkonstruktion anpassbare Längenänderung in Axialrichtung ermöglicht es, bei der Konstruktion der im Gehäuseinneren befindlichen Stellantriebskomponenten deren thermische Eigenschaften weitgehend außer Acht zu lassen.at the actuator according to the invention This results in an increased freedom in the selection of materials of the components of the actuator and related Components, especially considering the aspect of cost savings and the aspect of flexibility interesting in the construction. The by means of the pushing parts realizable big and Individually adaptable to the overall construction length change allowed in the axial direction it, in the design of the inside of the actuator actuator components their thermal properties are largely ignored.

Eine fertigungstechnisch einfache Festlegung des Gehäusekopfes am ersten Ende der Gehäuseanordnung lässt sich z. B. durch ein Verschweißen eines Abschnitts des Gehäusekopfes mit der aus Metall oder einer Metalllegierung gebildeten Gehäuseanordnung erreichen.A manufacturing technology simple Festle tion of the housing head at the first end of the housing assembly can be z. B. by welding a portion of the housing head with the housing assembly formed of metal or a metal alloy.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Piezoaktor als ein in Axialrichtung langgestreckter Piezoelementstapel ausgebildet. Damit lässt sich vorteilhaft eine vergleichsweise große axiale Längenänderung bei der Ansteuerung des Aktors bewirken. Die andererseits mit zunehmender Größe des Piezoaktors in Axialrichtung tendenziell zunehmenden thermisch bedingten Ausdehnungsunterschiede in Axialrichtung können hierbei durch das oder die Schubteile kompensiert werden.In a preferred embodiment is the piezoelectric actuator as an elongated piezoelectric element stack in the axial direction educated. Leave it advantageous a comparatively large axial length change in the control cause the actor. On the other hand, with increasing size of the piezoelectric actuator in the axial direction tends to increase thermally induced expansion differences in the axial direction can be compensated by the one or more push parts.

Die Erfindung ist besonders interessant für Gehäusekonstruktionen mit einem vergleichsweise kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der durch die Schubteilanordnung auf ein gewünschtes Ausmaß vergrößert werden kann. In einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass das der Aussparung benachbarte Material der Gehäuseanordnung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 5×10^–6 1/K besitzt. Auch ist es zumeist von Vorteil, wenn das der Aussparung benachbarte Material der Gehäuseanordnung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der kleiner als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Piezoaktors ist. Beispielsweise kann die Gehäuseanordnung wenigstens teilweise, insbe sondere größtenteils oder sogar im Wesentlichen vollständig aus einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt sein.The invention is particularly interesting for housing designs with a comparatively small coefficient of thermal expansion, which can be increased to a desired extent by the thrust member assembly. In one embodiment, it is therefore provided that the material of the housing arrangement adjacent to the recess has a coefficient of thermal expansion of less than 5 × 10 ^-6 1 / K. Also, it is usually advantageous if the recess of the adjacent material of the housing assembly has a thermal expansion coefficient which is smaller than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric actuator. For example, the housing assembly may be at least partially, in particular special mostly or even substantially completely made of an iron-nickel alloy.

Demgegenüber ist es für das Schubteil in vielen Anwendungen bevorzugt, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mehr als 5×10^–6 1/K vorzusehen. Hierfür eignet sich beispielsweise die Verwendung von Stahl.In contrast, in many applications it is preferred for the pusher to provide a thermal expansion coefficient greater than 5 × 10 ^-6 1 / K. For this example, the use of steel is suitable.

Es ist nicht ausgeschlossen, mehrere, identisch oder unterschiedlich geformte Aussparungen vorzusehen, in welchen jeweils ein oder mehrere Schubteile aufgenommen werden. Bei Verwendung mehrerer Schubteile können diese sich sogar hinsichtlich des Materials und/oder dem axialen Spiel (und damit der erwähnten Grenztemperatur) unterscheiden. Bei Anordnung mehrerer Aussparungen und/oder Schubteile ist es in der Praxis zur Vermeidung einer über den Umfang betrachtet ungleichmäßigen Dehnung, die zu einer Krümmung der Gehäuselängsachse führen würde, bevorzugt, die axiale Schubwirkung in Umfangsrichtung betrachtet möglichst gleichmäßig vorzusehen. Dies entspricht einer gleichmäßigen Verteilung von Schubteilen in Umfangsrichtung. So ist es beispielsweise denkbar, eine in Umfangsrichtung äquidistante Anordnung mehrerer, jeweils mit einem Schubteil versehener Aussparungen vorzusehen, welche dann sogar die gesamte Wandung des hülsenförmigen Gehäuses durchsetzen können.It is not excluded, several, identical or different to provide shaped recesses, in each of which one or more thrust parts be recorded. If you use more than one pusher parts, you can even with regard to the material and / or the axial play (and so that mentioned Limit temperature). When arranging several recesses and / or Pusher parts is in practice to avoid over the Scope considers uneven strain, which leads to a curvature the housing longitudinal axis to lead would, preferred, the axial thrust effect viewed in the circumferential direction preferably to provide evenly. This corresponds to a uniform distribution of shear parts in the circumferential direction. So it is conceivable, for example a circumferentially equidistant Arrangement of several, each provided with a sliding part recesses provide, which then enforce even the entire wall of the sleeve-shaped housing can.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Aussparung in Umfangsrichtung ringförmig geschlossen umlaufend ausgebildet ist. In einer solchen Umfangsnut sind dann aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt mehrere schalenförmige Schubteile aufgenommen. Insbesondere können in einer solchen umlaufenden Aussparung zwei schalenförmige Schubteile aufgenommen werden, welche sich zusammen im Wesentlichen um den ganzen Umfang erstrecken. Damit kann eine besonders gleichmäßige axiale Dehnungswirkung gewährleistet werden.In a preferred embodiment it is provided that the recess is closed annularly in the circumferential direction is formed circumferentially. In such a circumferential groove are then for manufacturing reasons prefers several bowl-shaped Shear parts added. In particular, in such a circulating Recess two bowl-shaped Shear parts are received, which together essentially extend around the entire circumference. This can be a particularly uniform axial Stretching guaranteed become.

Im Hinblick auf eine großflächige Einleitung der axialen Schubkraft ist es bevorzugt, wenn an einem oder beiden axialen Enden der Aussparung eine sich im Wesentlichen radial erstreckende Anschlagfläche für das darin aufgenommene Schubteil vorgesehen ist.in the With regard to a large-scale introduction of axial thrust force, it is preferred if at one or both axial Ends of the recess is a substantially radially extending stop surface for the it is provided in the incorporated thrust part.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schubteil in die Aussparung eingepresst. Alternativ kann das Schubteil bei der Herstellung des Stellantriebs mit axialem Spiel in die Aussparung eingesetzt werden und dann gegen einen Austritt aus der Aussparung gesichert werden.In a preferred embodiment is the pushing part pressed into the recess. Alternatively, you can the thrust part in the manufacture of the actuator with axial Game are inserted into the recess and then against an exit be secured from the recess.

Ein nicht bei allen im Betrieb zu erwartenden Temperaturen mit Passung in der Aussparung aufgenommenes Schubteil kann an einem Austritt aus der Aussparung beispielsweise dadurch gesichert werden, dass ein Abschnitt des Schubteils mit der Gehäuseanordnung verklebt oder verschweißt wird.One not at all expected temperatures in operation with fit In the recess recorded thrust part can at an exit be secured from the recess, for example, by that a portion of the pusher glued to the housing assembly or welded becomes.

Zur Sicherstellung einer ausreichenden zusätzlichen Dehnung ist es in vielen Anwendungsfällen bevorzugt, wenn der Anteil an ausgesparter Außenumfangsfläche bezogen auf die gesamte Außenumfangsfläche im Bereich von 20% bis 80% liegt und/oder die maximale Tiefe jeder Aussparung im Bereich von 20% bis 80% liegt.to Ensuring a sufficient additional stretch is there in many applications preferred when the proportion of recessed outer peripheral surface referred on the entire outer peripheral surface in the area from 20% to 80% and / or the maximum depth of each recess ranging from 20% to 80%.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen schematisch dar:The Invention will be described below with reference to an embodiment with reference to the attached Drawings closer described. They represent schematically:

1 eine perspektivische Ansicht eines hülsenförmigen Stellantriebgehäuses gemäß einer ersten Ausführungsform, 1 a perspective view of a sleeve-shaped actuator housing according to a first embodiment,

2 einen Axiallängsschnitt des Gehäuses, 2 an axial longitudinal section of the housing,

3 eine Grafik zur Veranschaulichung des Temperaturverhaltens des Gehäuses, 3 a graphic illustrating the temperature behavior of the housing,

4 eine perspektivische Ansicht eines hülsenförmigen Stellantriebgehäuses gemäß einer zweiten Ausführungsform, 4 a perspective view of a sleeve-shaped actuator housing according to a second embodiment,

5 einen Axiallängsschnitt des Gehäuses, und 5 a axial longitudinal section of the housing, and

6 eine Grafik zur Veranschaulichung des Temperaturverhaltens des Gehäuses. 6 a graphic illustrating the temperature behavior of the housing.

Die 1 und 2 veranschaulichen die Gestaltung eines Gehäuses 12 eines piezoelektrischen Stellantriebs, der eine obere Baugruppe einer Kraftstoffinjektoreinheit bildet, die in ihrem unteren Bereich ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine aufweist.The 1 and 2 illustrate the design of a housing 12 a piezoelectric actuator forming an upper assembly of a fuel injector unit having in its lower portion a fuel injection valve for an internal combustion engine.

Das hülsenartige, hier hohlzylindrisch dargestellte Gehäuse 12 besitzt eine Längsachse L, die von einem oberen Ende 14 des Gehäuses zu einem unteren Ende 16 des Gehäuses verläuft.The sleeve-like, here hollow cylindrical housing 12 has a longitudinal axis L, that of an upper end 14 of the housing to a lower end 16 of the housing runs.

Außer dem Gehäuse 12 umfasst der Stellantrieb in an sich bekannter Weise folgende im Gehäuseinneren angeordnete Komponenten (nicht dargestellt): einen Piezoaktor, der für eine Längenänderung in Axialrichtung L ansteuerbar ist, einen am oberen Ende 14 des Gehäuses 12 angeschweißten Gehäusekopf, an welchem sich das obere Ende des Piezoaktors in Axialrichtung abstützt, einen in Axialrichtung bewegbar geführten Aktorboden, an welchem sich das untere Ende des Piezoaktors in Axialrichtung abstützt und welcher in Wirkverbindung mit einem in Axialrichtung bewegbaren Ventilkolben des Einspritzventils steht. Der Ventilkolben befindet sich etwa auf Höhe des unteren Gehäuseendes 16. Über eine Wirkverbindung wird eine Axiallängenänderung des Piezoaktors von der Bodenplatte auf den Ventilkolben übertragen.Except the case 12 the actuator comprises in a conventional manner the following components (not shown) arranged inside the housing: a piezoactuator which can be activated for a change in length in the axial direction L, one at the upper end 14 of the housing 12 welded housing head on which the upper end of the piezoelectric actuator is supported in the axial direction, an axially movable guided actuator base on which the lower end of the piezoelectric actuator is supported in the axial direction and which is in operative connection with an axially movable valve piston of the injection valve. The valve piston is located approximately at the level of the lower housing end 16 , Via an operative connection, an axial length change of the piezoactuator is transmitted from the bottom plate to the valve piston.

Im Betrieb der Kraftstoffinjektoreinheit kommt es bei einer Temperaturänderung der Installationsumgebung zu thermischen Formänderungen der einzelnen Komponenten. In nachfolgend beschriebener Weise wird jedoch vermieden, dass durch Temperaturvariationen hervorgerufene Formänderungen die Leistungseigenschaften und die Ansteuercharakteristik des Stellantriebs bzw. des damit betätigten Einspritzventils wesentlich verändern, insbesondere im Sinne einer axialen Verschiebung der Positionen des Aktorbodens und/oder des Ventilkolbens wirken.in the Operation of the fuel injector unit occurs at a temperature change the installation environment to thermal deformations of the individual components. In the manner described below, however, is avoided by Temperature variations caused shape changes the performance characteristics and the driving characteristic of the actuator or the so actuated Substantially change injection valve, in particular in the sense of an axial displacement of the positions of the actuator base and / or the valve piston act.

Eine Außenumfangsfläche 18 des Stellantriebgehäuses 12 ist mit einer Aussparung in Form einer ringförmig umlaufenden Nut 20 versehen, in welcher zwei identisch ausgebildete Hälften eines Schubringes 22 eingepresst wurden.An outer peripheral surface 18 of the actuator housing 12 is with a recess in the form of an annular circumferential groove 20 provided, in which two identically formed halves of a push ring 22 were pressed.

Das Gehäuse 12 ist hierbei aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, wohingegen der Schubring bevorzugt aus einer Metalllegierung mit einem demgegenüber größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten (hier: Stahl) hergestellt ist. Die ohne Vorsehen des Schubrings 22 im Hinblick auf die Temperaturkompensation (insbesondere abhängig von dem für den Piezoaktor im Gehäuseinneren verwendeten Material) zu kleine Wär meausdehnung der Eisen-Nickel-Legierung wird durch die Integration des Schubringes 22 aus Stahl effektiv vergrößert. Durch das Verpressen bei einer Temperatur, die niedriger liegt als die im Betrieb zu erwartende Minimaltemperatur, wird ein bei allen Betriebstemperaturen fester Sitz der beiden Halbschalen und damit eine stetige Längenänderung des Gehäuses 12 mit der Temperatur gewährleistet.The housing 12 is made of an iron-nickel alloy with a very low coefficient of thermal expansion, whereas the thrust ring is preferably made of a metal alloy with a comparatively larger thermal expansion coefficient (here: steel). The without provision of the thrust ring 22 With regard to the temperature compensation (in particular depending on the material used for the piezoelectric actuator inside the housing) too small heat meausdehnung of the iron-nickel alloy is due to the integration of the thrust ring 22 effectively made of steel. By pressing at a temperature lower than expected in the operation minimum temperature, a firm at all operating temperatures seat of the two half-shells and thus a constant change in length of the housing 12 guaranteed with the temperature.

Ein nachteiliges Temperaturverhalten des Stellantriebs ist also durch Integration des Schubrings 22 am Gehäuse 12 beseitigt.An adverse temperature behavior of the actuator is thus by integration of the thrust ring 22 on the housing 12 eliminated.

Durch die Verwendung des Schubrings 22 kommt es zu einer vergrößerten Freiheit in der Werkstoffwahl der Komponenten des Stellantriebs sowie der damit betätigten Einrichtung. Vorteilhaft kann das Gehäuse 12 einteilig ausgebildet sein.By using the push ring 22 There is an increased freedom in the choice of materials of the components of the actuator and the device operated therewith. Advantageously, the housing 12 be formed in one piece.

Sollte sich das thermische Ausdehnungsverhalten der verwendeten Piezokeramik produktionsbedingt ändern, so kann die Geometrie der Nut 20 in einfacher Weise den neuen Erfordernissen angepasst werden.If the thermal expansion behavior of the piezoceramic used change due to production, then the geometry of the groove 20 be easily adapted to the new requirements.

3 veranschaulicht die auf die Gesamtlänge (L₀) bezogenen Längenänderungen (ΔL) der verschiedenen Gehäusekomponenten in Abhängigkeit von der Temperatur (T). 3 illustrates the length changes (ΔL) of the various housing components relative to the total length (L ₀ ) as a function of the temperature (T).

Die Linie A veranschaulicht die vergleichsweise große Ausdehnung des Schubringmaterials (Stahl) bei steigender Temperatur (T).The Line A illustrates the comparatively large extent of the thrust ring material (steel) at rising temperature (T).

Demgegenüber ist der durch die Linie B dargestellte Verlauf der thermischen Ausdehnung für das übrige Gehäusematerial (Eisen-Nickel-Legierung) wesentlich flacher.In contrast, is the course of the thermal expansion represented by the line B. for the remaining housing material (Iron-nickel alloy) much flatter.

Der für die Gehäusekonstruktion insgesamt resultierende Ausdehnungskoeffizient liegt nun zwischen den Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Werkstoffe (Linien A und B), so dass sich der durch eine Linie C dargestellte Verlauf der thermischen Ausdehnung in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ergibt. Dieser Verlauf ist im Sinne einer optimierten Temperaturkompensation des Stellantriebs vorgesehen.Of the for the housing construction Total resulting coefficient of expansion is now between the coefficient of expansion of these two materials (lines A and B), so that the course represented by a line C the thermal expansion as a function of the operating temperature results. This course is in the sense of optimized temperature compensation provided the actuator.

Die resultierende Wärmeausdehnung gemäß Linie C hängt jedoch nicht nur von den verwendeten Werkstoffen ab sondern auch von der Geometrie der Nut 20 sowie des darin aufgenommenen Schubteils 22. Mithin kann vorteilhaft eine Anpassung des resultierenden Wärmedehnungsverlaufs auch erfolgen durch geeignete Wahl einer Breite der Nut 20, welche der Höhe H des aus den Halbschalen gebildeten Schubrings 22 (vgl. 2) entspricht, sowie durch geeignete Wahl der Tiefe dieser Nut 20 (d. h. der Aufteilung der Querschnittsfläche der Gehäusewandung auf die beiden Werkstoffe).However, the resulting thermal expansion according to line C does not depend solely on the use but also on the geometry of the groove 20 as well as the included therein thrust part 22 , Consequently, advantageously, an adaptation of the resulting thermal expansion curve can also take place by a suitable choice of a width of the groove 20 , which is the height H of the thrust ring formed by the half shells 22 (see. 2 ), and by appropriate choice of the depth of this groove 20 (ie the division of the cross-sectional area of the housing wall on the two materials).

Bei der in diesem Beispiel vorgesehenen Werkstoffauswahl verändert das Vorsehen des Schubringes 22 das elastische Verhalten nur wenig, da beide Werkstoffe E-Module in der gleichen Größenordnung besitzen. Durch die vorgenommene Wahl der Gestaltungsparameter lässt sich in einfacher Weise sicherstellen, dass über den gesamten Betriebstemperaturbereich (hier: 200 K) die Belastung des Gehäuses 12 im Bereich der Nut die Streckgrenze desselben nicht erreicht.In the material selection provided in this example, the provision of the thrust ring changes 22 the elastic behavior only a little, since both materials have e-modules of the same order of magnitude. By the choice made of the design parameters can be ensured in a simple manner that over the entire operating temperature range (here: 200 K), the burden of the housing 12 in the groove the yield strength of the same is not reached.

Für die Parameter des dargestellten Stellantriebgehäuses seien lediglich als Beispiel folgende Werte genannt:
Gehäuselänge in Axialrichtung L: 39 mm
Tiefe der Nut 20: 0,9 mm
Breite der Nut 20: 10 mm
Gehäuse 12: aus Ni36, Ausdehnungskoeffizient: 1×10^–6 1/K
Halbschalen: aus rostfreiem Stahl, Ausdehnungskoeffizient: 16×10^–6 1/K
Resultierender Ausdehnungskoeffizient der Gehäusekonstruktion: 2, 6×10^–6 1/KFor the parameters of the illustrated actuator housing, the following values are given by way of example only:
Housing length in axial direction L: 39 mm
Depth of the groove 20 : 0.9 mm
Width of the groove 20 : 10 mm
casing 12 : Ni36, coefficient of expansion: 1 × 10 ^-6 1 / K
Half shells: stainless steel, coefficient of expansion: 16 × 10 ^-6 1 / K
Resulting expansion coefficient of the housing construction: 2, 6 × 10 ^-6 1 / K

Bei der nachfolgenden Beschreibung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung werden für analoge Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch den kleinen Buchstaben "a". Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem mit Bezug auf die 1 bis 3 bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die obige Beschreibung zu den 1 bis 3 verwiesen.In the following description of a further embodiment of the invention, the same reference numerals are used for analogous components, in each case supplemented by the small letter "a". It is essentially only on the differences to that with respect to the 1 to 3 already described embodiment and, moreover, hereby expressly to the above description of the 1 to 3 directed.

Die 4 bis 6 sind den 1 bis 3 entsprechende Darstellungen einer modifizierten Ausführungsform, bei welcher eine in einer Außenumfangsfläche 18a vorgesehene Nut 20a eine Breite besitzt, welche die Höhe H eines Schubringes 22a um ein gewisses Ausmaß (axiale Spaltbreite S) übersteigt. Bis zu einer bestimmten Grenztemperatur (hier: 50°C) existiert dieser Spalt zwischen dem axial oberen Ende des Schubringes 22a und dem axial benachbarten Ende der Aussparung 20a auch im Betrieb des Stellantriebs. Bei Annäherung an diese Grenztemperatur verringert sich die Spaltbreite S allmählich, um bei der Grenztemperatur von 50°C Null zu werden. Dies ist diejenige Temperatur, bei deren Überschreitung die Schubwirkung des Schubringes 22a einsetzt. Wie es aus 6 ersichtlich ist, entspricht die für die Gehäusekonstruktion insgesamt resultierende Wärmeausdehnung (Linie C) zunächst der Wärmeausdehnung des für das Gehäuse 12a verwendeten Materials (Linie B), um bei Überschreitung der Temperatur von 50°C nach oben hin abzuweichen.The 4 to 6 are the 1 to 3 corresponding representations of a modified embodiment in which one in an outer peripheral surface 18a provided groove 20a has a width which is the height H of a thrust ring 22a by a certain amount (axial gap width S) exceeds. Up to a certain limit temperature (here: 50 ° C), this gap exists between the axially upper end of the thrust ring 22a and the axially adjacent end of the recess 20a also in the operation of the actuator. When approaching this limit temperature, the gap width S gradually decreases to become zero at the limit temperature of 50 ° C. This is the temperature above which the thrust of the thrust ring 22a starts. Like it out 6 it can be seen, the total resulting thermal expansion (line C) for the housing construction initially corresponds to the thermal expansion of the housing 12a used material (line B) to deviate when exceeding the temperature of 50 ° C at the top.

Der bei dieser Ausführungsform vorgesehene geknickte Verlauf der Wärmeausdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur T kann unter Umständen von Vorteil bei einem Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine sein (Heißstartproblematik).Of the in this embodiment provided kinked course of thermal expansion in dependence from the temperature T may be beneficial at a Be fuel injector of an internal combustion engine (hot start problem).

Die den Schubring 22a bildenden Halbschalen sind an einem Herausfallen aus der Aussparung 20a durch eine Verschweißung gesichert.The the thrust ring 22a forming half-shells are falling out of the recess 20a secured by a weld.

Sofern ein Dehnungs-Temperatur-Verlauf erwünscht ist, der abweichend von diesem Ausführungsbeispiel mehrere Grenztemperaturen und somit mehrere Knicke aufweist, so kann dies in einfacher Weise z. B. durch Anordnung einer entsprechenden Mehrzahl von Nuten mit Schubringen realisiert werden. Beispielsweise können zwei oder drei axial voneinander beabstandete Umfangsnuten vorgesehen werden.Provided a strain-temperature profile is desired, which deviates from this embodiment has several limit temperatures and thus several kinks, so This can be done in a simple manner z. B. by arranging a corresponding plurality be realized by grooves with thrust rings. For example, two or three axially spaced circumferential grooves are provided.

Die im Rahmen der Fertigung vorzunehmende Dimensionierung der Spaltbreite S kann vorteilhaft durch definiertes mechanisches Stauchen des bereits mit dem Schubring 22a versehenen Gehäuses 12a eingestellt werden. Dies gelingt z. B. bei der oben erwähnten Werkstoffkombination besonders gut, da der E-Modul der Stahlhalbschalen etwas größer als der E-Modul des Gehäuses 12a aus Eisen-Nickel-Legierung ist, so dass sich in Abhängigkeit von der Stauchkraft nach plastischem Stauchen und elastischer Rückfederung ein definierter Luftspalt S einstellt. Die Genauigkeit dieser Einstellung der Spaltbreite S ist derjenigen einer rein spanenden Bearbeitung des Gehäuses 12a überlegen.The dimensioning of the gap width S to be carried out as part of the production can advantageously be achieved by means of defined mechanical compression of the thrust ring 22a provided housing 12a be set. This succeeds z. As in the above-mentioned material combination particularly good, since the modulus of elasticity of the steel half shells slightly larger than the modulus of elasticity of the housing 12a is made of iron-nickel alloy, so that sets a defined air gap S depending on the compression force after plastic compression and elastic springback. The accuracy of this adjustment of the gap width S is that of a purely machining the housing 12a think.

Claims

Actuator for a fuel injector of an internal combustion engine, comprising - a sleeve-shaped housing arrangement ( 12 ) with an axial direction (L) extending between a first and a second end ( 14 . 16 ) of the housing arrangement extends, - one in the housing arrangement ( 12 ) arranged and for a change in length in the axial direction (L) controllable piezoelectric actuator, - fixed in the axial direction (L) housing head at the first end ( 14 ) of the housing arrangement ( 12 ), on which a first end of the piezoactuator is supported in the axial direction, and - in the axial direction (L) movable in the hous arrangement ( 12 ) guided actuator base on which a second end of the piezoelectric actuator is supported in the axial direction and which can be brought into operative connection with an actuator to be adjusted, characterized in that an outer peripheral surface ( 18 ) of the housing arrangement ( 12 ) at least one recess ( 20 ), in which axially matching or with slight axial clearance at least one sliding part ( 22 ) is formed, which is formed of a material having a larger thermal expansion coefficient than that of the recess ( 20 ) adjacent material of the housing arrangement ( 12 ).

Actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator is an elongated piezoelectric element stack in the axial direction (L).

Actuator according to one of the preceding claims, wherein the recess ( 20 ) adjacent material of the housing arrangement ( 12 ) has a thermal expansion coefficient of less than 5 × 10 ^-6 1 / K.

Actuator according to one of the preceding claims, wherein the recess ( 20 ) adjacent material of the housing arrangement ( 12 ) has a thermal expansion coefficient which is smaller than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric actuator.

Actuator according to one of the preceding claims, wherein the housing arrangement ( 12 ) is at least partially made of an iron-nickel alloy.

Actuator according to one of the preceding claims, wherein the pushing part ( 22 ) has a thermal expansion coefficient of more than 5 × 10 ^-6 1 / K.

Actuator according to one of the preceding claims, wherein the recess ( 20 ) is formed in the circumferential direction annularly closed circumferentially.

Actuator according to claim 7, wherein a plurality of shell-shaped pusher parts in the recess ( 20 ) are included.

Actuator according to claim 7 or 8, wherein two cup-shaped pusher parts in the recess ( 20 ), which in the circumferential direction in each case in wesentli chen over half the circumference of the recess ( 20 ).

Actuator according to one of the preceding claims, wherein at one axial end of the recess ( 20 ) a substantially radially extending stop surface for the therein incorporated thrust part ( 22 ) is provided.

Actuator according to one of the preceding claims, wherein the pushing part ( 22 ) in the recess ( 20 ) is pressed.

Actuator according to one of claims 1 to 10, wherein the sliding part ( 22 ) with axial clearance (S) in the recess ( 20 ) is received and secured against escape from the recess.

Actuator according to claim 12, wherein at least a portion of the pushing part ( 22 ) with the housing arrangement ( 12 ) is welded.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding part ( 22 ) axially positively in the recess ( 20 ) is arranged.

Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding part ( 22 ) axially biased in the recess ( 20 ) is arranged.

Use of an actuator according to one of claims 1 to 13 for the axial adjustment of an actuator which is in operative connection with the actuator base for transmitting an axial length change of the piezoelectric actuator to the actuator, wherein the actuator has a thermal expansion coefficient of more than 5 × 10 ^-6 1 / K has.

Use according to claim 14 for a fuel injector a common-rail diesel injection system.