DE102006014768A1 - Piezo electric actuator for high pressure fuel injection system, has torus-shaped and cylindrical coupling units arranged coaxial to each other, where torus-shaped coupling unit cooperates with ring actuator and has large diameter - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of technology
Piezokeramische Bauelemente gewinnen zunehmend an Bedeutung in mechatronischen Anwendungen, insbesondere als Aktoren oder Sensoren. Bei Hochdruckkraftstoffeinspritzsystemen für Brennkraftmaschinen werden Piezoaktoren eingesetzt, um die Düsennadel sehr schnell und sehr präzise anzusteuern.Piezoceramic Components are becoming increasingly important in mechatronic applications, especially as actuators or sensors. In high-pressure fuel injection systems for internal combustion engines Piezo actuators are used to make the nozzle needle very fast and very precise head for.
Im Folgenden wird stellvertretend für eine Vielzahl von Aktoren stets von Piezoinjektoren gesprochen, obwohl die Erfindung naturgemäß nicht auf Piezoinjektoren beschränkt ist, sondern überall dort mit Gewinn eingesetzt werden kann, wo ein Stellglied mit hoher Dynamik und hoher Präzision über die gesamte Lebensdauer des Aktors angesteuert werden muss.in the The following will be representative of a variety of actuators always talked about piezo injectors, although the invention does not occur naturally Limited piezoinjectors is, but everywhere can be used at a profit, where an actuator with high dynamics and high precision over the entire life of the actuator must be controlled.
Wegen des kleinen Hubs von Piezoaktoren ist es bei vielen Anwendungen, insbesondere bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoaktoren, erforderlich, einen Koppler oder Stellwegvergrößerer vorzusehen, welcher den Hub des Piezoaktors in eine ausreichend große Stellbewegung umsetzt. Diese Koppler sind zum Beispiel als hydraulische Übersetzer mit einem Stufenkolben ausgeführt. Bei diesen Kopplern treten naturgemäß Leckagen auf, so dass der Piezoaktor gegen Kraftstoff abgedichtet werden muss. Wenn das den Piezoaktor umgebende Gehäuse undicht wird, wird der Injektor funktionsunfähig.Because of the small stroke of piezo actuators is in many applications, especially in the known from the prior art piezoelectric actuators required to provide a coupler or travel distance enhancer, which the stroke of the piezoelectric actuator in a sufficiently large adjusting movement implements. These couplers are for example as a hydraulic translator executed with a stepped piston. In these couplers occur naturally leaks, so that the Piezo actuator must be sealed against fuel. If that is the Piezo actuator surrounding housing leaking, the injector becomes inoperable.
Durch die erforderliche Abdichtung des Piezoaktors und den aus einer Vielzahl von Bauteilen bestehenden hydraulischen Druckübersetzer erhöhen sich die Zahl der benötigten Bauteile und die Herstellungskosten.By the required sealing of the piezoelectric actuator and of a variety component hydraulic pressure intensifiers increase the number of needed Components and the manufacturing costs.
Des Weiteren ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoinjektoren mit hydraulischem Druckübersetzer die Bewegungsrichtung des Aktors und des Stellglieds gleichgerichtet, so dass der Piezoaktor zum Schließen der Düsennadel bestromt werden muss. Lediglich zum Öffnen der Düsennadel wird die an dem Piezoaktor anliegende Spannung reduziert. Dies bedeutet, dass der Piezoaktor einen Großteil seiner Betriebsdauer mit einem elektrischen Feld mit hoher Feldstärke belastet wird, und nur während der anteilsmäßig sehr kurzen Einspritzugen stromlos ist. Dadurch wird der Piezoaktor elektrisch und mechanisch stark beansprucht, und seine elektrische Leistungsaufnahme ist relativ groß. In Folge dessen verringert sich auch seine Lebensdauer.Of Another is in the known from the prior art piezo injectors with hydraulic pressure booster the direction of movement of the actuator and the actuator rectified, so that the piezoelectric actuator must be energized to close the nozzle needle. Only for opening the nozzle needle the voltage applied to the piezoelectric actuator is reduced. This means, that the piezoelectric actuator a large part its operating time loaded with an electric field with high field strength will, and only during the proportionately very short injections is de-energized. As a result, the piezoelectric actuator becomes electric and mechanically stressed, and its electrical power consumption is relatively large. In As a result, its life is reduced.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Piezoaktor bzw. Piezoinjektor bereitzustellen, der einfach aufgebaut ist, der kompakt baut und dessen elektrische und mechanische Beanspruchung reduziert ist. Des Weiteren sollen Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Piezoaktors verbessert werden.Of the Invention is based on the object, a relation to the State of the art to provide improved piezoelectric actuator or piezoinjector, It is simple, compact and electric and mechanical stress is reduced. Furthermore, should reliability and life of the piezoelectric actuator can be improved.
Offenbarung der Erfindungepiphany the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem piezoelektrischen Aktor mit einem Stapel aus mehreren piezoelektrischen Keramikschichten, wobei zwischen den Keramikschichten jeweils eine Elektrodenschicht vorgesehen ist, mit einem von dem piezoelektrischen Aktor betätigten Stellglied und mit einem zwischen Aktor und Stellglied angeordneten Koppler dadurch gelöst, dass der Aktor als Ringaktor mit einem ringförmigen Querschnitt ausgebildet ist, dass das Stellglied koaxial zu dem Aktor angeordnet ist, dass der Koppler ein erstes torusförmiges Koppelelement und ein koaxial dazu angeordnetes zweites torusförmiges oder zylindrisches Koppelelement umfasst, dass das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement hydraulisch miteinander in Verbindung stehen, und dass der Koppler mit einem inkompressiblen Fluid, insbesondere Öl, gefüllt ist.These Task is according to the invention in a piezoelectric actuator with a stack of several piezoelectric Ceramic layers, wherein between the ceramic layers in each case an electrode layer is provided with an actuated by the piezoelectric actuator actuator and with a arranged between the actuator and actuator coupler solved by that the actuator is designed as a ring actuator with an annular cross-section, that the actuator is arranged coaxially with the actuator that the Coupler a first toroidal coupling element and a coaxially arranged second toroidal or cylindrical coupling element includes that the first coupling element and the second coupling element hydraulically communicate with each other, and that the coupler with an incompressible fluid, in particular oil, is filled.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch die koaxiale Anordnung und die Ausbildung des Piezoaktors als Ringaktor ist die Bewegungsumkehr durch den Koppler auf einfache Weise möglich.By the coaxial arrangement and the formation of the piezoelectric actuator as ring actuator Movement reversal by the coupler is easily possible.
Dadurch wird es möglich, beispielsweise bei einem Piezoinjektor, den Aktor nur dann zu bestromen, wenn Kraftstoff eingespritzt werden soll. Infolgedessen sinken die elektrische und mechanische Belastung Piezoaktors deutlich und die Lebensdauer des Piezoaktors nimmt zu.Thereby will it be possible for example, with a piezo injector, only to energize the actuator, when fuel is to be injected. As a result, the sink electrical and mechanical load piezoelectric actuator clearly and the Life of the piezo actuator increases.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ringaktors besteht darin, dass wegen des großen Durchmessers des mit dem Ringaktor zusammenwirkenden ersten Koppelelements schon ein kleiner Hub des Piezoaktors zu einer erheblichen Volumenverdrängung bei dem Koppler führt. Infolgedessen kann ein hohes Übersetzungsverhältnis mit dem Koppler realisiert werden. Dies bedeutet, dass entweder ein sehr großer Hub des Stellglieds erreicht werden kann oder es kann, falls der Hub des Stellglieds ausreichend ist, die Baulänge des Piezoaktors verringert werden. Dadurch ergeben sich erhebliche wirtschaftliche und fertigungstechnische Vorteile.One Another advantage of the ring actuator according to the invention is that because of the large diameter the cooperating with the ring actuator first coupling element already a small stroke of the piezoelectric actuator to a significant volume displacement leads to the coupler. As a result, can be a high gear ratio with be realized the coupler. This means that either one very big Stroke of the actuator can be achieved or it can, if the Stroke of the actuator is sufficient, reduces the length of the piezoelectric actuator become. This results in considerable economic and manufacturing technology Advantages.
Durch die beiden koaxial zueinander angeordneten Koppelelemente ist es auf einfache Weise wahlweise möglich, mit dem Koppler die Bewegungsrichtung des Aktors umzukehren. Falls gewünscht können die Bewegungen des Aktors und des Stellglieds gleichgerichtet erfolgen.By it is the two coaxially arranged coupling elements in a simple way possible, to reverse the direction of movement of the actuator with the coupler. If you may want the Movements of the actuator and the actuator are rectified.
Bei einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass erste Koppelelement zwei zylindrische Wände umfasst und dass der von den Wänden des ersten Koppelements eingeschlossene Raum durch eine kreisringförmige Deckplatte begrenzt wird. Dadurch kann die Hubbwegung des Ringaktors auf einfache und effiziente Weise in eine Volumenverdrängung des ersten Koppelelements umgesetzt werden.at an advantageous variant is provided that first coupling element two cylindrical walls includes and that of the walls the first coupling element enclosed space through an annular cover plate is limited. This allows the Hubbwegung the Ringaktors to simple and efficient manner in a volume displacement of the first coupling element be implemented.
Entsprechendes gilt für das zweite Koppelelement. Zum Beispiel wenn das Stellglied durch das zweite Koppelelement hindurchgeführt wird, empfiehlt sich die Verwendung eine torusförmigen zweiten Koppelelements. Andernfalls kann das zweite Koppelelement auch als Zylinder mit nur einer Außenwand und einer kreisförmigen Deckplatte ausgebildet werden. Dadurch kann die Zahl der Bauteile verringert werden.The same applies to the second coupling element. For example, when the actuator goes through the second coupling element is passed, the recommended Use a toroidal second coupling element. Otherwise, the second coupling element also as a cylinder with only one outer wall and a circular cover plate be formed. This can reduce the number of components become.
Bei kleinen Aktorhüben oder Stellwegen des Stellglieds kann die Übertragung und Umwandlung des Aktorhubs in eine Stellbewegung des Stellglieds durch die Elastizität der zylindrischen Wände der Koppelelemente erfolgen.at small actuator strokes or actuating paths of the actuator, the transmission and conversion of the Aktorhubs in an actuating movement of the actuator by the elasticity of the cylindrical Walls of the coupling elements respectively.
Um die Elastizität der Koppelelemente zu erhöhen, können in weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Kopplers zylindrischen Wände des ersten Koppelelements und/oder des zweiten Koppelelements als Faltenbalg ausgeführt sein. In diesem Fall ist die Übertragung auch großer Aktorhübe und Stellwege des Stellglieds möglich, ohne dass es zu unzulässig hohen Dehnungen in den Wänden der Koppelelemente kommt.Around the elasticity to increase the coupling elements, can in a further embodiment of the coupler according to the invention cylindrical Walls of the first Coupling element and / or the second coupling element as a bellows accomplished be. In this case, the transfer is also great Actuator strokes and Travel ranges of the actuator possible, without being too inadmissible high strains in the walls the coupling elements comes.
Zusätzlich können die Deckplatten gekrümmt ausgebildet sein. Dadurch können die Deckplatten mindestens teilweise zur die Übertragung und Übersetzung des Aktorhubs auf das Stellglied herangezogen werden.In addition, the Cover plates curved be educated. Thereby can the cover plates at least partially for transmission and translation the Aktorhubs be used on the actuator.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Außenwand des ersten Koppelements, die Innenwand des zweiten Koppelements und eine Bodenplatte durch Umformen, insbesondere durch Tiefziehen, aus einem Stück hergestellt werden. Durch Abstreiftiefziehen können dabei unterschiedliche Wandstärken der verschiedenen Bauteile realisiert werden.It has proven to be advantageous if the outer wall of the first coupling element, the inner wall of the second coupling element and a bottom plate Forming, in particular by deep drawing, made in one piece become. By Abweiselfiefziehen can thereby different wall thickness the various components are realized.
Entsprechendes gilt für die Innenwand des ersten Koppelements, die Außenwand des zweiten Koppelements und eine Zwischenplatte.The same applies to the inner wall of the first coupling element, the outer wall of the second coupling element and an intermediate plate.
Die verschiedenen Bauteile des Kopplers, insbesondere die Wände der Koppelemente, die Deckplatten, die Bodenplatte und/oder die Zwischenplatte werden in vorteilhafter Weise miteinander verschweißt. Dadurch wird eine 100%ige Leckagefreiheit erreicht.The various components of the coupler, in particular the walls of the Coupling elements, the cover plates, the bottom plate and / or the intermediate plate are welded together in an advantageous manner. Thereby a 100% freedom from leaks is achieved.
Üblicherweise liegt bei einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktor eine Stirnseite des Ringaktors auf der Deckplatte des ersten Koppelelements auf, während das Stellglied auf der Deckplatte des zweiten Koppelelements aufliegt. Dabei ist weiter eine Druckfeder vorgesehen, welche das Stellglied in Anlage an dem Koppler hält.Usually lies in a piezoelectric according to the invention Actuator one end of the ring actuator on the cover plate of the first Coupling element on while the actuator rests on the cover plate of the second coupling element. In this case, a compression spring is further provided which the actuator stops in contact with the coupler.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors ist die Anwendung in einem Injektor einer Brennkraftmaschine. In diesem Fall ist das Stellglied eine Düsennadel des Injektors. Auf ein hydraulisches Steuerventil kann – unter anderem wegen des großen Übersetzungsverhältnisses des erfindungsgemäßen Kopplers – vollständig verzichtet werden. Dadurch kann die Ansteuerung der Düsennadel mit größerer Dynamik und Genauigkeit erfolgen. Des Weiteren werden Bauraum und Kosten eingespart und wegen der verringerten Zahl der Bauteile auch die Zuverlässigkeit erhöht.A preferred application of the piezoelectric actuator according to the invention is the application in an injector of an internal combustion engine. In In this case, the actuator is a nozzle needle of the injector. On a hydraulic control valve can - partly because of the large transmission ratio of the coupler according to the invention - completely omitted become. This allows the control of the nozzle needle with greater dynamics and accuracy. Furthermore, space and costs saved and because of the reduced number of components and the Reliability increased.
Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Druckfeder vorgesehen ist, und die Druckfeder das Stellglied in Anlage an dem Koppler hält. Dadurch ist gewährleistet, dass erstens das Stellglied den vom Piezoaktor vorgegebenen Stellbewegungen unmittelbar folgt und zweitens, dass über den Koppler die von der Druckfeder über das Stellglied auf den Koppler ausgeübte Kraft den Ringaktor vorspannt. Dadurch kann eine gesonderte Vorspanneinrichtung, wie beispielsweise eine Rohrfeder, entfallen.It has further proven to be advantageous when a compression spring provided is, and the compression spring, the actuator in contact with the coupler holds. Thereby is guaranteed that, first, the actuator the predetermined by the piezoelectric actuator movements immediately follows and secondly, that over the coupler from the Compression spring over the actuator exerts force on the coupler to bias the ring actuator. As a result, a separate biasing device, such as a Bourdon tube, omitted.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.Further Advantages and advantageous embodiments of the invention are the subsequent drawing, the description and the claims can be removed. All features disclosed in the drawings, the description and the claims can be essential to the invention both individually and in any combination.
Zeichnungendrawings
Es zeigen:It demonstrate:
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In
Der
Ringaktor
Von
Bedeutung für
die beanspruchte Erfindung ist, dass der Ringaktor
Zwischen
einer Stirnseite
Der
Koppler
Das
zweite Koppelelement
Da
das erste Koppelelement
Die
hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Koppelelement
Dieser
Innenraum (ohne Bezugszeichen) wird mit Öl, insbesondere Hydrauliköl, so gefüllt, dass keine
Luftblasen vorhanden sind. Weil Öl
nahezu vollständig
inkompressibel ist, wird jede vom Hub des Piezoaktors verursachte
Verdrängung
von Öl
im Bereich des ersten Koppelelements
Je
nach verwendetem Werkstoff, vorzugsweise einem Metall mit geeigneten
mechanischen Eigenschaften, dem Hub des Piezoaktors sowie dem erforderlichen
Weg des Stellglieds können
die Außenwände
Wenn
jedoch die Dehnung im Bereich des ersten Koppelelements
In
Eine
Druckfeder
Die
Hülse
Die
Spannmutter
Der
im Hochdruckanschluss
Wenn
nun der erfindungsgemäße Ringaktor
Sobald
die Bestromung des Ringaktors
Bei
dem erfindungsgemäßen Injektor
Der
erfindungsgemäße Koppler
Dies
gilt auch für
das Ausführungsbeispiel gemäß
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20121212 |
|
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |