DE102004048395B4

DE102004048395B4 - Piezo-Einspritzventil mit Kontaktelementen zur Wärmeableitung

Info

Publication number: DE102004048395B4
Application number: DE102004048395.7A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dick
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: DE102004048395A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Piezo-Aktoreinheit für ein Einspritzventil. Zum Ausgleich von unterschiedlichen thermischen Längenänderungen des Piezoaktors gegenüber dem Aktorgehäuse ist ein Wärmeleitelement mit Kontaktlamellen angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor und ein Kraftstoffeinspritzventil für Verbrennungsmotoren. Die Reduzierung der Schadstoffemissionen ist eines der wichtigsten Entwicklungsziele der Automobilindustrie. Mit Einsatz von Piezo-Einspritzventilen in Common-Rail-Systemen sind die Verbrennungsmotoren leiser und schadstoffärmer geworden.
Die Piezo-Elemente sind Bauteile aus Keramik, die sich je nach der Polarisation der elektrischen Spannung ausdehnen oder zusammenziehen, wenn sie unter Spannung gesetzt werden. Im Gegensatz zu den bisherigen Magnetventilen schalten die Piezo-Einspritzventile aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften fünf Mal schneller, so dass die Kraftstoffzufuhr in mehreren Portionen aufgeteilt und präziser dosiert werden kann. Die Gemischaufbereitung im Verbrennungsraum wird dadurch homogener und die vollständige Verbrennung im Zylinder wird gewährleistet. Die Schadstoffe im Abgas sind infolgedessen erheblich reduziert worden. Die Möglichkeit der Aufteilung der Kraftstoffzufuhr in mehreren Abschnitten während des Verbrennungsvorganges ermöglicht eine homogene Gemischbildung und eine harmonische Flammenausbreitung im Zylinder. Dadurch wird das Verbrennungsgeräusch vermindert und der Motor wird leiser.
Beim Dieselmotor könnten die Kraftstoffeinspritzungen zum Beispiel auf fünf Mal aufgeteilt werden: zwei für die Voreinspritzung, eine Haupteinspritzung und zwei Nacheinspritzungen. Dadurch verstummt das typische Verbrennungsgeräusch der Dieselmotoren, das sogenannte ,Nageln'. Es wird ein Motorkennfeld für die optimale Leistung und Abgasemission hergestellt. Die Einspritzungen lassen sich je nach Motordrehzahl und Drehmoment zeitlich optimal abstimmen. Die Nacheinspritzung ermöglicht das unvollständig verbrannte Abgasgemisch vollständig zu verbrennen. Das Kohlenmonoxyd und die Ruß-Partikel werden dadurch erheblich reduziert. Mit dem heutige Stand der Technik kann die Ruß-Emission mit Einsatz der Piezo-Einspritzventile gegenüber den Magnet-Einspritzventilen um 80% reduziert werden. Der Kraftstoffverbrauch kann bis zum 20% verringert werden.
Um die obengenannte Ziele erreichen zu können ist ein präziser Arbeitstakt der Piezo-Aktoren unabdingbar. Die präzise Kraftstoffeinspritzungen der Piezo-Einspritzventile werden aber wegen der unterschiedlichen Dehnungen aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem Einspritzventilgehäuse und dem Piezoaktor beeinträchtigt, insbesondere wenn der Motor noch kalt oder in der instationären Phase ist.
Zudem erhitzt sich der Piezoaktor, was zu einer Beeinträchtigung des Piezoaktors führen kann. Um diese Nachteile zu verbessern, wird ein Temperaturausgleichselement zwischen dem Piezoaktor und Gehäuse angeordnet.
Um die Wärmeübertragung zwischen den unterschiedlichen Bauelementen zu gewährleisten, müssen alle Bauelemente sehr eng und dicht zusammengebaut werden. Dies erschwert die Vormontage der Piezo-Aktoreinheit und die Endmontage der Piezo-Aktoreinheit ins Piezo-Ventilgehäuse.
Aus DE 10 2007 045 258 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf bekannt, wobei der Zylinderkopf eine Öffnung zur Aufnahme eines Einspritzventils aufweist. In der Öffnung des Zylinderkopfes ist zwischen einer Wandung des Zylinderkopfes und einer Wandung des Einspritzventils ein Wärmeleitkörper angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass der Wärmeleitkörper thermische Energie von dem Einspritzventil zum Zylinderkopf leitet und in radialer Richtung elastisch verformbar ist.
Aus EP 1 978 242 A1 ist ein Vorspannring bekannt, mit dem ein piezoelektrischer Aktor in einem Gehäuse verspannt werden kann.
Aus EP 1 455 083 A2 ist ein Einspritzventil bekannt, das in einer Öffnung eines Zylinderkopfes eingesteckt ist. Zwischen dem Einspritzventil und dem Zylinderkopf ist ein Wärmeleitelement angeordnet, das Wärme vom Einspritzventil zum Zylinderkopf leitet.
Aus DE 102 33 906 A1 ist ein gattungsgemäßes Einspritzventil bekannt, das einen piezoelektrischen Aktor und ein Ausgleichselement aufweist. Zwischen dem Ausgleichselement und dem Gehäuse des Einspritzventils ist ein Wärmeleitelement vorgesehen, das das Ausgleichselement mit dem Gehäuse thermisch koppelt. Das Wärmeleitelement ist in Form einer Hülse ausgebildet, die zwei Randteile aufweist, die über Stege miteinander verbunden sind. Die Randteile der Hülse liegen an einer Innenwand des Gehäuses an. Die Stege sind nach innen gewölbt und kommen mit dem Ausgleichselement in Kontakt.
DE 10 2004 027 148 A1 beschreibt ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist. Es hat ferner einen Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement umfasst, das aus einer Mangan-Kupfer-Nickel-Legierung besteht.
DE 10 2004 034 520 A1 betrifft einen piezoelektrischen Aktor, bei dem ein aktiv auslenkbares Bauteil aus einer Piezokeramik als Antrieb und ein passiver Temperaturkompensator in Auslenkungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei der Temperaturkompensator aus einem Steinsalzkörper gebildet ist.
EP 1 524 427 beschreibt ein temperaturausgeglichenes Aktorbauteil mit einem Piezostack und einem Ausgleichselement, das an einem Ende des Piezostacks angeordnet ist. Ein thermischer Ausdehnungskoeffizient eines Bereiches des Ausgleichselements ist höher als ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Piezostacks.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei gleichem dichten und engen Kontakt die unerwünschten Widerstandskräfte bzw. mechanischen Spannungen der Rohrfeder beim Einbauen der Piezo-Aktoreinheit und bei der Endmontage des Piezo-Einspritzventils abzubauen und die Montage zu erleichtern.
Die Lösung dieses Problems basiert auf einem Wärmeleitelement mit Lamellenprofil gemäß Patentanspruch 1. Erfindungsgemäß ist das Piezoelement und das Ausgleichselement in der Rohrfeder angeordnet und die Rohrfeder dient als Vorspannelement für das Piezoelement und das Ausgleichselement. Zudem ragen Kontaktlamellen durch Durchbrüche der Rohrfeder und liegen am Gehäuse des Einspritzventils an.
Vorzugsweise sind die Lamellenprofile nach außen leicht gewölbt. Dadurch wird die Federfunktion hervorgerufen. Eine solche Anordnungen erlaubt eine größere Toleranz in radialer Richtung, weil der sichere Kontakt aufgrund der Federfunktion zwischen den beiden dicht kontaktierten Bauteilen gewährleistet ist. Die größere Toleranz erleichtert die Monatagearbeit.
Mit einem zusätzlichen Aufschnitt bzw. einer Unterbrechung im Umfang des zylindrischen Wärmeleitelementes ergibt sich ein flexibler veränderbarer Außendurchmesser des Wärmeleitelements. Dies hat zur Folge, dass beim Einbauen des Wärmeleitelements in die Piezo-Aktoreinheit das Wärmeleitelement zusammendrückt werden kann. Die Montage ist dadurch erleichtert.
Die technische und konstruktive Einzelheiten werden anhand des bevorzugten Beispiele mit beigefügten Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen:
1 die Einbaulage des Wärmeleitelements;
2 das Schnittbild C-C der Einbaulage des Wärmeleitelements;
3 die Perspektive des Wärmeleitelements;
4 das Schnittbild D-D der Einbaulage des Wärmeleitelements.
1 zeigt die Einbausituation eines Wärmeleitelements 2 in einer Piezo-Aktoreinheit 1 eines Einspritzventils. Das Wärmeleitelement 2 ist im wesentlichen in einer zylindrischen Form ausgebildet. Das Wärmeleitelement 2 besteht hauptsächlich aus Kontaktlamellen 3 und zwei Kontaktelementen 4. Die zwei ringförmigen Kontaktelemente 4 sind über die Kontaktlamellen 3 miteinander verbunden. Die Kontaktlamellen 3 sind in Längsrichtung der Piezo-Aktoreinheit angeordnet und weisen eine nach außen gerichtete Bogenform auf. Das Wärmeleitelement 2 umgibt einen Ausgleichszylinder 6. Das Wärmeleitelement 2 ist in einer Rohrfeder 13 angeordet, die hülsenförmig das Wärmeleitelement 2 umgibt. Die Rohrfeder 13 weist mehrere Durchbrüche 20 auf. Die Kontaktlamellen 3 ragen durch die Durchbrüchen 20 der Rohrfeder 13 und kontaktieren ein Gehäuse der Piezo-Aktoreinheit. Die Kontaktelemente 4 sind in einer Ausnehmung 9 des Ausgleichzylinder 6, der vorwiegend aus Aluminium hergestellt ist, angeordnet und umfassen den Ausgleichszylinder 6. Aufgrund der Federfunktion der Kontaktlamellen 3 ist eine sichere Berührung der Kontaktelemente 4 mit dem Ausgleichzylinder 6 und die Berührung zwischen den Kontaktlamellen 3 und dem Gehäuse 14 (2) der Piezo-Aktoreinheit 1 für eine gute Wärmeübertragung sicher gestellt. Dadurch werden das Gehäuses 14 und der Ausgleichszylinder 6 über die Kontaktlamellen 3 und die Kontaktelemente 4 auf der gleichen Temperatur gehalten. Das Gehäuse 14 und der Ausgleichzylinder 6 werden wegen der gleichzeitigen Temperaturänderungen gleichzeitig ausgedehnt, so dass die Längenverschiebungen in beiden Teilen parallel stattfinden und die ursprünglich abgestimmte Ventilöffnungszeit und die Ventilöffnungsspalte des Einspritzventils möglichst unverändert bleiben.
Die Durchbrüche 20 der Rohrfeder 13 sind durch Streifen 8 der Rohrfeder 13 begrenzt. Die Streifen 8 der Rohrfeder 13 verlaufen durch die Öffnungen 5, des Wärmeleitelements 2, in denen keine Kontaktlamellen 3 angeordnet sind. Eine Verdrehung des Wärmeleitelements 2 um den Ausgleichzylinder 6 ist durch die Streifen 8 der Rohrfeder 13 begrenzt, die bei einer Verdrehung zur Anlage an eine Kontaktlamelle 3 kommen, die die entsprechende Öffnung 5 begrenzt. Damit ist das Wärmeleitelement 2 zwischen der Rohrfeder 13 und dem Ausgleichzylinder 6 genau positioniert. Ein Ausgleich in der Umfangsposition des Wärmeleitelement 2 in der Rohrfeder 13 ist innerhalb der Öffnungen 5 zwischen den Kontaktlamellen 3 mit geringfügiger Drehung möglich. Aufgrund dieser Ausgleichsmöglichkeit wird die Montage der Piezo-Aktoreinheit in das Ventilgehäuse durch gleichzeitige geringfügige hin und her Bewegung erleichtert.
2 zeigt einen Teilausschnitt eines Schnittbildes eines Einspritzventils mit einer Piezo-Aktoreinheit 1. Die zwei Kontaktelemente 4 sitzen in der Ausnehmung 9 des Ausgleichzylinders 6 und stehen im engen Kontakt mit dem Ausgleichzylinder 6. In der Ausnehmung 9 des Ausgleichzylinders 6 ist ein Toleranzbereich 15 vorgesehen. Der Toleranzbereich 15 ist als Ausgleichsspielraum für Dehnungen der Kontaktelemente 4 vorgesehen. Wenn die Kontaktlamellen 3 durch das Gehäuse 14 zusammengedrückt werden, dehnt sich das Wärmeleitelement 2 bzw. das Kontaktelement 4 in axialer Richtung in den Toleranzbereich 15 der Ausnehmung aus. Der Gegendruck der Kontaktlamellen 3 beim Einbau ist durch den Toleranzbereich 15 reduziert und die Montage der Piezo-Aktoreinheit 1 wird erleichtert. Die gewölbten Bereiche der Kontaktlamellen 3 sind wegen der Federkraft gegen das Gehäuse 14 vorgespannt. Die Rohrfeder 13 bildet zusammen mit der Kopfplatte 10 und einer Fußplatte 22, an der das Piezoelement 7 abgestützt ist, ein Vorspannelement für das Piezoelement 7 und den Ausgleichzylinder 6.
3 zeigt die Perspektive des Wärmeleitelementes 2 mit den Kontaktlamellen 3, den Öffnungen 5 und den Kontaktelementen 4. Die zwei Kontaktelemente 4 sind über die Kontaktlamellen 3 miteinander verbunden. Die Kontaktelemente 4 sind ringförmig und können mit Aufschnitten 14 vorgesehen sein. Die Aufschnitte 14 dienen als Schrumpfspalte für die Kontaktelemente 4, wenn sie bei der Montage im Gehäuse 14 zusammengedrückt werden. Die Widerstandskraft der Kontaktelemente 4 ist wegen der Ausweichmöglichkeit der Kontaktelemente 4 reduziert und die Montage ist dadurch erleichtert. Ferner können die Kontaktelemente 4 zusätzlich radiale Fixierungen 11 aufweisen. Die radialen Fixierungen 11 sind leicht nach innen gewölbt und vorzugsweise angrenzend an den Aufschnitten 14 angeordnet. Durch die Wölbung wird ein Federeffekt erreicht. Der Radius und die Länge der Wölbung sind so ausgelegt, dass die radiale Fixierungen 11 in Längsnuten 12 des Ausgleichszylinders 6 eingreifen. Die Längsnuten 12 können auch zum Führen von elektrischen Leitungen 21 des Piezoelementes verwendet werden. Das Wärmeleitelement 2 ist damit auf dem Ausgleichzylinder 6 sicher geklemmt.
4 zeigt einen Ausschnitt des Schnittbildes D-D der Piezo-Aktoreinheit 1 der 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind Längsnuten 12 im Ausgleichzylinder 6 für die elektrischen Leitungen 21 angeordnet. Die Leitungen 21 verlaufen durch die Längsnuten 12 und verbinden das Piezoelement 7 mit einem elektrischen Stecker, wodurch das Piezoelement 7 mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Kontaktlamellen 3 sind so eng und dicht mit dem Gehäuse 14 bzw. mit der Bohrung für Piezo-Aktoreinheit 1 kontaktiert, dass die Wärmeübertragung zwischen dem Piezo-Einspritzventil und der Piezo-Aktoreinheit sicher gestellt ist. In den Öffnungen 5 befindet sich zwischen den Kontaktlamellen 3 die Streifen 8 der Rohrfeder 13, die das Wärmeleitelement 2 in die richtige Einbauposition führt und gleichzeitig eine radiale Verdrehung des Wärmeleitelement 2 begrenzt.
In Abhängigkeit von der gewählten Ausführungsform kann das Wärmeleitelement auch zwischen der Rohrfeder 13 und dem Gehäuse 14 angeordnet sein.

Claims

Einspritzventil mit einem Piezoaktor (1), der in einem Gehäuse (14) eingebaut ist, wobei zwischen dem Piezoaktor (1) und einer Platte (10, 22) ein Ausgleichselement (6) zum Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Längenänderung des Einspritzventilgehäuses gegenüber dem Piezoaktor (1) angeordnet ist, wobei das Ausgleichselement (6) von einem Wärmeleitelement (2) mit Kontaktlamellen (3) umgeben ist, und dass das Wärmeleitelement (2) in Kontakt mit dem Gehäuse (14) und dem Ausgleichselement (6) steht, dadurch gekennzeichnet, dass des Piezoelement (7) und das Ausgleichselement (6) in einer Rohrfeder (13) angeordnet sind, und dass die Rohrfeder (13) als Vorspannelement für das Piezoelement (7) und das Ausgleichselement (6) vorgesehen ist, wobei die Rohrfeder (13) Durchbrüche (20) und die Durchbrüche (20) begrenzende Streifen (8) aufweist, wobei das Wärmeleitelement (2) Öffnungen (5) aufweist, in denen keine Kontaktlamellen (3) angeordnet sind, wobei die Kontaktlamellen (3) durch die Durchbrüche (20) ragen und am Gehäuse (14) anliegen, und wobei die Streifen (8) durch die Öffnungen (5) verlaufen, so dass eine Verdrehung des Wärmeleitelements (2) um das Ausgleichselement (6) durch die Streifen (8) begrenzt ist, die bei einer Verdrehung zur Anlage an einer Kontaktlamelle (3) kommen, die die entsprechende Öffnung (5) begrenzt.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (2) im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, dass das Wärmeleitelement (2) zwei ringförmige Kontaktelemente (4) aufweist, die das Ausgleichselement (6) umgreifen, und dass die Kontaktelemente (4) über die Kontaktlamellen (3) miteinander verbunden sind, die im Wesentlichen in der Längsachse des Ausgleichselementes (6) angeordnet sind.
Einspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlamellen (3) in Längsrichtung des Ausgleichselements (6) angeordnet und nach außen gewölbt sind.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (2) in einer Ausnehmung (9) des Ausgleichselements (6) angeordnet ist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (2) entlang der Längsachse einen Aufschnitt (14) aufweist.
Einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement (2) eine radiale Fixierung (11) aufweist, und dass das Ausgleichelement (6) wenigstens eine Längsnut (12) aufweist, in der die radiale Fixierung des Wärmleitelementes (2) eingreift.
Einspritzventil nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktlamellen (3) Öffnungen (5) im Wärmeleitelement (2) angeordnet sind und Streifen (8) der Rohrfeder (3) in den Öffnungen (5) angeordnet sind.