DE102005044851A1

DE102005044851A1 - Anordnung mit einem Piezoaktor

Info

Publication number: DE102005044851A1
Application number: DE102005044851A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Dieter Kienzler; Udo Schaich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-03-29
Also published as: EP1929553A1; WO2007033859A1

Abstract

Es wird eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, vorgeschlagen, mit einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, die als Piezoelement (5) in einem Haltekörper (2) gehalten sind, wobei am Piezoelement (5) eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen (22, 23; 31, 32) vorhanden ist. Es ist ein Aktorfuß (9, 21; 33) zwischen dem Piezoelement (5) und dem Haltekörper (2) vorhanden, durch den elektrische Leitungen (12, 13) zu den Kontaktelementen (22, 23; 31, 32) gefüphrt sind, wobei der Aktorfuß (9, 21; 33) an einen Dichtsitz (20) am Haltekörper (2) zur Abdichtung eines Innenraumes (4) mit einer unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit gedrückt ist. Der Aktorfuß (9, 21; 33) ist mittels einer Zugverschraubung (21, 25) an einen balligen Dichtsitz (20) am Haltekörper (2) drückbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Piezoaktor, beispielsweise als Piezoinjektor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils wie ein Ventil oder dergleichen, mit einem elektrischen Anschluss für die Ansteuerung des Piezoelements nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors ein Piezoelement so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Das Piezoelement ist aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.

Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor aus der DE 100 26 005 A1 bekannt, der zur Ansteuerung der Düsennadel bei Injektoren zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Piezoelement, wie erwähnt, als Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezokeramischen Schichten aufgebaut, der unter Vorspannung zwischen zwei Anschlägen gehalten ist. Jede piezokeramische Schicht ist als Piezolage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst über die von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung führen die piezokeramischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potentialgefälles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Höhe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.

Bei dem zuvor erwähnten Piezoaktor wird zur Heranführung der unterschiedlichen Potentiale eine wechselseitige seitliche Kontaktierung der Innenelektroden über äußere Elektroden vorgenommen, bei der leitende Flächen auf jeweils einer Seitenfläche des Piezoelements angebracht sind, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert sind. Dagegen ist aus der DE 103 35 019 A1 ein Piezoaktor bekannt, bei dem die Kontaktierung der Innenelektroden mit Kontaktelementen erfolgt, die jeweils in einer inneren Ausnehmung des Piezoelements liegen.

Außerdem ist auch in der EP 1 174 615 A3 ein Piezoaktor beschrieben, bei dem ein Piezoelement als Aktor für die direkte Nadelhubsteuerung eines Einspritzinjektors für einen Verbrennungsmotor vorhanden ist. Zwischen dem Piezoelement als Aktor und der Nadel sitzt lediglich ein Koppler mit einer hydraulischen Übersetzung zum Dehnungsausgleich. Mit einer Aktivierung des Piezoelements wird hierbei die unter Vorspannung zum Verschluss der Einspritzdüse gehaltene Nadel von der Düsenöffnung wegbewegt, da die Nadel direkt übersetzt der Bewegung des Aktors folgt.

In der Regel liegt herbei das Piezoelement über einen Aktorfuß an einem Dichtsitz im Innenraum des Piezoaktors an, wobei das Piezoelement zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes zusätzlich zur Andrückkraft der unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit noch mit einer Feder angedrückt wird. Die eventuell nicht ausreichenden Andrückkräfte am Dichtsitz stellen hier allerdings eine kritische Größe dar, wobei Insbesondere auch auf eine winkelgenau Führung der am Dichtsitz beteiligten Bauelemente zu achten ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung geht von einer eingangs beschriebenen Anordnung mit einem Piezoaktor aus, der einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen in einem Piezoelement aufweist, die in einem Haltekörper gehalten sind, wobei am Piezoelement eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen vorhanden ist. Es ist weiterhin ein Aktorfuß zwischen dem Piezoelement und dem Haltekörpers vorhanden, durch den elektrische Leitungen zu den Kontaktelementen geführt sind, wobei der Aktorfuß an einen Dichtsitz am Haltekörper zur Abdichtung eines Innenraumes mit einer unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit gedrückt ist. Gemäß der Erfindung ist der Aktorfuß in vorteilhafter Weise mittels einer Zugverschraubung an einen balligen Dichtsitz am Haltekörper drückbar.

In besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemäße Zugverschraubung dadurch bewirkbar, dass eine Verlängerung des Aktorfußes in Betätigungsrichtung durch den Haltekörper hindurch zu einer Verschraubung geführt ist, die eine auf ein Gewinde der Aktorfußverlängerung aufschraubbaren Mutter aufweist und durch Verdrehung der Mutter eine Zugkraft und dadurch eine zusätzliche Dichtkraft am balligen Dichtsitz entsteht.

Bei herkömmlichen Piezoaktoren wird, wie eingangs erwähnt, das Aktormodul mit dem Piezoelement gegen einen beispielsweise balligen Dichtsitz gepresst, um zum Beispiel bei einer Verwendung des Piezaktors als Einspritzinjektor das gesamte Modul hinsichtlich der unter hohem Druck eingeschlossenen Flüssigkeit abzudichten. Hierbei unterstützt zwar der Druck der Flüs sigkeit die Dichtwirkung (selbstverstärkendes Prinzip), jedoch kann mit der erfindungsgemäßen Zugverschraubung die Dichtwirkung verbessert werden.

In vorteilhafter Weise kann zwischen der Mutter und der Auflagefläche der Mutter am Haltekörper noch eine Stützscheibe angeordnet werden, die mittels zapfen- oder stiftartiger Verbindungen sowohl zur Auflagefläche am Haltekörper als auch zur Aktorfußverlängerung unverdrehbar am Haltekörper und auch an der Autorfußverlängerung gehalten ist. Die Mutter stützt sich somit auf der vorzugsweise balligen Stützscheibe ab und durch die Zapfen oder Stifte kann die Stützscheibe zunächst ein- oder beidseitig gegen eine Verdrehung am Haltekörper gesichert werden. Damit die schraubenartige Aktorfußverlängerung sich nicht mit der Mutter mitdreht, wird dabei durch eine weitere zapfen- oder stiftartiger Verbindungen, zum Beispiel mit einer ein- oder beidseitigen Nase an der Stützscheibe, die in eine ein- oder beidseitige Nut an der Aktohrfußverlängerung eingreift, ein Verdrehen des Aktorfußes verhindert.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Aktorfuß am Dichtsitz eine kugel- oder kegelförmige Kontur zur Herstellung einer sog. Kugel-Kegel-Abdichtung aufweist, so dass mit der Zugverschraubung eine winkelgerechte Ausrichtung des Aktorfußes in Zugrichtung bewirkbar ist. Mit dieser Kugel-Kegel-Abdichtung kann erreicht werden, dass der Piezoaktor an einem mechanischen Koppler zur Steuerung beispielsweise einer Düsennadel des Einspritzinjektors, so ausgerichtet werden kann, dass der Koppler nicht klemmt oder die Kopplerhülse nicht verkippt und stirnseitig undicht wird.

Bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit Außenkontaktierung sind die elektrische Leitungen, die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung nach außen an die Kontaktelemente des Piezoelements geführt. Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Piezoaktors mit Innenkontaktierung sind die elektrische Leitungen, die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung innen an in inneren Ausnehmungen des Piezoelements liegenden Kontaktelementen geführt.

Bei der letztgenannten Ausführungsform kann der Aktorfuß im Bereich der Anbindung an die aktiven Lagen des Piezoelements zweigeteilt sein, wobei eine Verbindung der elektrischen Leitungen über jeweils eine Steckverbindung beim Zusammenfügen der beiden Teile des Aktorfußes bewirkbar ist. Hiermit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass während der elektrischen Prüfung des Piezoaktors vor der Montage die relativ lange Aktorfußverlängerung als Zugschraube nicht am Piezoaktor angefügt sein muss.

Zusammenfassend ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Piezoaktor folgende Vorteile:

– Durch die Zugverschraubung wird die in der Regel ballige Dichtung am Aktorfuß zusätzlich zur Federkraft und dem Druck einer Flüssigkeit angepresst und dabei noch eine Winkeleinstellbarkeit gewährleistet. Dich Dichtkraft kann dabei Werte von > 10 kN erreichen.
– Durch die hohe Dichtkraft können auch Welligkeiten der Dichtflächen elastisch oder plastisch verformt werden und somit die Dichtheit noch weiter verbessert werden.
– Die gesamte Anordnung ist gegen ein Verdrehen bei der Montage gesichert und im Fall der innenliegenden Kontaktierung kann auch eine Montagvereinfachung erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Anordnung eines einstufigen Piezoinjektors mit einem Piezoaktor zur Steuerung einer Düsennadel in Kraftstoffeinspritzsystemen zur Erläuterung des prinzipiellen Aufbaus,
2 einen Teilschnitt durch einen Haltekörper für den erfindungsgemäßen Piezoaktor mit einer Zugverschraubung am Aktorfuß und einer außenliegenden elektrischen Kontaktierung des Piezoelements,
2 einen Teilschnitt durch einen Haltekörper für den erfindungsgemäßen Piezoaktors mit einer Zugverschraubung am Aktorfuß und einer innenliegenden elektrischen Kontaktierung des Piezoelements,
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer einstufigen Piezoaktoranordnung 1 gezeigt, die aufgrund der vorgeschlagenen Anwendung im Folgenden auch als Piezoinjektor oder Einspritzinjektor bezeichnet wird und beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Im oberen Teil ist ein Haltekörper 2 vorhanden, der in seinen geometrischen Abmessungen im wesentlichen an den spezifischen Einsatzort angepasst werden kann. Es ist eine Steckerteil 3 zu erkennen, durch das mit einer ebenfalls spezifisch an den Anwendungsfall angepassten Steckerausführung die elektrische Spannung zur Ansteuerung des Piezoelements angeschlossen werden kann. Die Führung der elektrischen Leitung und eine eventuelle Zuführung des mit dem Piezoinjektor 1 zu steuernden Kraftstoffs im Haltekörper 2 ist hierbei nicht zu erkennen und für die Funktion der Erfindung auch nicht wesentlich.
In einem Innenraum 4 des Piezoinjektors 1 ist ein Piezoaktor mit einem Piezoelement 5 angeordnet, der bei einer Betätigung über eine sich hier senkrecht unterhalb befindliche mechanische Anordnung mit einem Koppler 6 auf eine Düsennadel 7 derart wirkt, dass hier eine Freigabe einer Düsenöffnung 8 erfolgen kann. Ein im Inneren des Piezoaktors 1 durch den Innenraum 4 geführter Kraftstoff kann somit in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Das Piezoelement 5 liegt nach der 1 über einen Aktorfuß 9 oben an einem balligen Dichtsitz im Innenraum 4 an, wobei das Piezoelement 5 zur Bewirkung eines guten Dichtsitzes mit einer Feder 10 angedrückt wird. Ins besondere bei den eingangs erwähnten Common-Rail (CR)-Systemen ist hier eine Hochdruckabdichtung zu einem elektrischen Anschlussraum 11 notwendig, durch den zwei elektrische Leitungen 12 und 13 an das Piezoelement 5 geführt sind.
Aus 2 ist zu entnehmen, dass der Aktorfuß 9 in Abweichung zum vorher beschriebenen Beispiel über eine sogenannte Kugel-Kegel-Dichtung 20 am Haltekörper 2 anliegt und eine Aktorfußverlängerung 21 als Zugverschraubung senkrecht nach oben geführt ist. Durch diese Aktorfußverlängerung 21 sind die elektrischen Leitungen 12 und 13 zur Kontaktierung des Piezoelements 5 mit den Innenelektroden 14 und 15 über Außenkontakte 22 und 23 nach außen zu einer hier nicht gezeigten Steckerverbindung geführt. Die Führung der Leitungen 12 und 13 wird hier in getrennten Bohrung vorgenommen; sie können jedoch auch in einer einzigen Bohrung geführt werden.
Das obere Ende der Aktorfußverlängerung 21 weist ein Gewinde 24 auf, auf das eine Mutter 25 aufschraubbar ist, so dass hiermit der Dichtsitz 20 mit einer Anpresskraft versehen werden kann. Die Mutter 25 stützt sich hierbei auf einer Stützscheibe 26 mit einer balligen Oberfläche auf. Die Stützscheibe 26 liegt wiederum auf dem Haltekörper 2 auf und ist mittels eines Zapfens 27, der in eine Ausnehmung 28 am Haltekörper 2 eingreift, gegen ein Verdrehen beim Anziehen der Mutter 25 gesichert.
Die Stützscheibe 26 weist darüber hinaus noch eine Nase 29 auf, die in eine Nut 30 der Aktorfußverlängerung 21 eingreift und damit ebenfalls eine Verdrehung der Aktorfußverlängerung 21 bei Anziehen der Mutter 25 verhindert.
Aus 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Piezoinjektors gezeigt, bei dem die elektrischen Leitungen 12 und 13 mit innenliegenden Kontaktelementen 31 und 32 des Piezoelements 5 kontaktiert sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktorfuß 9 am Piezoelement 5 geteilt und weist noch ein Fußteil 33 auf.
Die Leitungen 12 und 13 werden hierbei jeweils über eine Steckverbindung 34 und 35 mit den innenliegenden Kontaktelementen 31 und 32 verbunden. Somit kann das Piezoelement 5 zunächst unabhängig vom verlängerten Aktorfuß 9 bzw. 21 geprüft werden und dann mit dem unteren Fußteil 33 über die Steckverbindungen 34 und 35 bei der Montage mit den Leitungen 12 und 13 verbunden werden. Das Fußteil 33 kann dann beispielsweise an den Aktorfuß 9 mit der Aktorfußverlängerung 21 angeschweißt werden. Die Leitungen 12 und 13 sind durch eine Glaseinschmelzung 36 zusätzlich nach außen hochdruck-abgedichtet gegen Undichtheit einer Schweißnaht 37 oder des Piezoelements 5.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist zur Steuerung des Hubs einer Nadel für die Kraftstoffeinspritzung, zum Beispiel Dieselkraftstoff, in einem Kraftfahrzeug gewerblich anwendbar.

Claims

Anordnung mit einem Piezoaktor, mit – einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen, die als Piezoelement (5) in einem Haltekörper (2) gehalten sind, wobei am Piezoelement (5) eine wechselseitige Kontaktierung von Innenelektroden mit Kontaktelementen (22, 23; 31, 32) vorhanden ist und mit – einem Aktorfuß (9, 21, 33) zwischen dem Piezoelement (5) und dem Haltekörper (2), durch den elektrische Leitungen (12, 13) zu den Kontaktelementen (22, 23; 31, 32) geführt sind, wobei der Aktorfuß (9, 21, 33) an einen Dichtsitz (20) am Haltekörper (2) zur Abdichtung eines Innenraumes (4) mit einer unter Hochdruck gehaltenen Flüssigkeit gedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorfuß (9, 21; 33) mittels einer Zugverschraubung (21, 25) an einen balligen Dichtsitz (20) am Haltekörper (2) drückbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zugverschraubung (21,25) dadurch bewirkbar ist, dass eine Verlängerung (21) des Aktorfußes (9) in Betätigungsrichtung durch den Haltekörper (2) hindurch zu einer Verschraubung (25) geführt ist, die eine auf ein Gewinde (24) der Autorfußverlängerung (21) aufschraubbaren Mutter (25) aufweist und durch Verdrehung der Mutter (25) eine Zugkraft und dadurch eine zusätzliche Dichtkraft am balligen Dichtsitz (20) bewirkbar ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen der Mutter (25) und der Auflagefläche der Mutter (25) am Haltekörper (2) eine Stützscheibe (26) angeordnet ist, die mittels zapfenartiger Verbindungen (27, 28, 29, 30) sowohl zur Auflagefläche am Haltekörper (2) als auch zur Autorfußverlängerung (21) unverdrehbar am Haltekörper (2) und auch an der Autorfußverlängerung (21) gehalten ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorfuß (9, 21) am Dichtsitz (20) eine kugel- oder kegelförmige Kontur aufweist, so dass mit der Zugverschraubung (21, 25) eine winkelgerechte Ausrichtung des Aktorfußes (9, 21) in Zugrichtung bewirkbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Leitungen (12, 13), die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen (22, 23) geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung (36) nach außen an die Kontaktelemente (22, 23) des Piezoelements (5) geführt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Leitungen (12, 13), die durch den Aktorfuß zu den Kontaktelementen (31, 32) geführt sind, vorzugsweise durch eine Glaseinschmelzung (36) innen an in inneren Ausnehmungen des Piezoelements (5) liegenden Kontaktelementen (31, 32) geführt sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Aktorfuß (9) im Bereich der Anbindung an die aktiven Lagen des Piezoelements (5) zweigeteilt ist, wobei eine Verbindung der elektrischen Leitungen (12, 13) über jeweils eine Steckverbindung in einem Fußteil (33) beim Zusammenfügen der beiden Teile (9, 33) des Aktorfußes bewirkbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Piezoaktor zur Steuerung des Hubs einer Nadel (7) für die Kraftstoffeinspritzung in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist.