DE102006017034A1 - Piezo-Aktor, Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors und Einspritzsystem mit einem solchen - Google Patents

Piezo-Aktor, Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors und Einspritzsystem mit einem solchen Download PDF

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Piezo-Aktor zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck vorgeschlagen, der aufweist: - eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen einer Düse, in welche der Kraftstoff eingespritzt wird, - einen steuerbaren Piezo-Stapel, welcher in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Hub zum Betätigen der Düsennadel in einer Schließrichtung oder in einer Öffnungsrichtung bereitstellt, und - eine Federvorrichtung, welche in Abhängigkeit des Kraftstoffdruckes eine Kraft bereitstellt, die zumindest teilweise einer an der Düsennadel angreifenden und in Schließrichtung wirkenden Schließkraft entgegenwirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Piezo-Aktor, ein Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors und ein Einspritzsystem mit einem Piezo-Aktor.
  • Einspritzsysteme und insbesondere lecköllose Common-Rail-Einspritzsysteme erfordern ein Steuerelement, wie beispielsweise einen Piezo-Aktor im Hochdruckraum. Das technische Gebiet der Erfindung betrifft insbesondere piezogesteuerte Common-Rail-Injektoren oder Einspritzsysteme ohne Leckölrücklauf mit einem Piezo-Aktor oder einem Piezo-Aktuator zum Öffnen und Schließen einer Düse mittels einer Düsennadel im Hochdruckraum, der eine hydraulische Längsausgleichsvorrichtung oder Rückstellvorrichtung und einen Hebelübersetzer zur Betätigung der Düsennadel aufweist. Die Rückstellvorrichtung weist insbesondere einen in die Bohrung der Bodenplatte des Piezo-Stapels des Piezo-Aktors eingreifenden Kolben, ein hydraulisches Volumen, beispielsweise ein Kraftstoffvolumen, zwischen der Bodenplatte und dem Kolben und eine Rückstellfeder zum Rückstellen des Piezo-Stapels auf. Ein solches Einspritzsystem ist beispielsweise aus der DE 101 45 620 B4 bekannt.
  • In Folge der Abhängigkeit der Schließkraft, die an der Düsennadel angreift und in eine Schließrichtung zum Verschließen der Düse wirkt, vom anliegenden Kraftstoffdruck ist die notwendige Energie zum Öffnen der Düse bei hohen Kraftstoffdrücken verhältnismäßig hoch, was eine entsprechende Baugröße des Piezo-Aktors erfordert. Mit dem Anstieg der notwendigen Betätigungsenergie steigt auch die Verlustleistung des Piezo-Aktors. Insbesondere bei einer Mehrfacheinspritzung und bei einem hohen Einspritzdruck, beispielsweise 2000 bar, reicht eine einfache Anströmung des Steuergeräts oder des Piezo- Aktors mit Luft zu dessen Kühlung nicht mehr aus, was einen erheblichen Kostennachteil bedeutet.
  • Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Einspritzsysteme besteht darin, dass in Abhängigkeit von Fertigungstoleranzen und elastischen Verformungen aufgrund äußerer und innerer Kräfte, die auf den Piezo-Aktor wirken, ein stark variierender Leerhub entstehen kann. Diese Leerhubunterschiede können unter anderem durch die oben beschriebene hydraulische Längsausgleichsvorrichtung ausgeglichen werden.
  • Die Anmelderin hat allerdings in einer Vielzahl von Versuchen festgestellt, dass es bei der Auslegung der hydraulischen Längsausgleichsvorrichtung notwendig ist, den Endeffektor oder die Bodenplatte des Piezo-Stapels möglichst schnell in seine Ausgangslage zurückzubringen, damit von Betätigung zu Betätigung keine Hubunterschiede entstehen. Insbesondere sollte diese Rückstellung von Einspritzung zu Einspritzung stattfinden. Somit könnten alle Einspritzereignisse unabhängig von ihrer Vorgeschichte behandelt werden. Allerdings darf die von der hydraulischen Längsausgleichsvorrichtung bereitgestellte Rückstellkraft die Düsennadel in keinem Betriebszustand des Piezo-Aktors öffnen. Dies führt dazu, dass die hydraulische Längsausgleichsvorrichtung nur eine geringe Rückstellkraft erzeugen darf, da ansonsten bei einem geringen Kraftstoffdruck oder Raildruck eine Nadelöffnung stattfindet. Eine geringe Rückstellkraft bedingt allerdings nachteiligerweise, dass die Rückstellzeiten bei höheren Kraftstoffdrücken oder Raildrücken und damit höheren Düsennadelkräften zu lang für die dynamischen Anforderungen des Piezo-Aktors sind.
  • Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verlustleistung des Piezo-Aktors, insbesondere mit konstruktiv einfachen und kostengünstigen Mitteln zu minimieren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezo-Aktor bereitzustellen, bei welchem eine vom Kraftstoffdruck abhängige Schließkraft reduziert ist. Dabei soll insbesondere die Schließkraft zu Beginn der Öffnung der Düse reduziert werden.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, einen Piezo-Aktor bereitzustellen, bei dem Hubunterschiede bei aufeinanderfolgenden Betätigungen der Düsennadel minimiert bzw. vermieden werden.
  • Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser gestellten Aufgaben durch einen Piezo-Aktor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors mit den Merkmalen des Patentanspruch 16 gelöst.
  • Demnach wird erfindungsgemäß ein Piezo-Aktor zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck vorgeschlagen, der aufweist:
    • – eine Düsennadel zum Öffnen und Schließen einer Düse, in welche der Kraftstoff eingespritzt wird,
    • – einen steuerbaren Piezo-Stapel, welcher in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Hub zum Betätigen der Düsennadel in einer Schließrichtung oder in einer Öffnungsrichtung bereitstellt, und
    • – eine Federvorrichtung, welche in Abhängigkeit des Kraftstoffdruckes eine Kraft bereitstellt, die zumindest teilweise einer an der Düsennadel angreifenden und in Schließrichtung wirkenden Schließkraft entgegenwirkt.
  • Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors ist es, dass die von der Federvorrichtung bereitgestellte Kraft der Schließkraft derart entgegenwirkt, so dass das Öffnen der Düse unterstützt wird. Die Federvorrichtung wirkt somit als Energiespeicher zur Unterstützung des Öffnens der Düse. Insgesamt hat damit der Piezo-Stapel, der das Heben der Düsennadel aus dem Düsensitz durchführt, eine geringere Energie aufzubringen. Folglich wird die Verlustleistung des Piezo-Aktors verringert. Besonders vorteilhaft ist es, dass die von der Federvorrichtung bereitgestellte Kraft abhängig von dem aktuellen Kraftstoffdruck ist. Folgendes verdeutlicht diesen erfindungsgemäßen Vorteil: Je höher der Kraftstoffdruck ist, desto größer wird die von dem Kraftstoffdruck abhängige Schließkraft, desto größer wird allerdings auch die in der Federvorrichtung gespeicherte Energie bzw. die von der Federvorrichtung bereitgestellte, der Schließkraft entgegenwirkende Kraft. Somit beeinflusst zwar der Kraftstoffdruck stets die Schließkraft, allerdings steuert er auch die der Schließkraft entgegenwirkende Kraft der erfindungsgemäßen Federvorrichtung.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kompensiert die von der Federvorrichtung bereitgestellte Kraft maximal 90%, insbesondere maximal 80% der an der Düsennadel angreifenden und in Schließrichtung wirkenden Schließkraft. Somit wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass infolge der von der Federvorrichtung bereitgestellten Kraft keine unerwünschte Nadelöffnung erfolgen kann. Somit ist die Dichtheit zwischen Düsennadel und Ventil beispielsweise gegenüber einem Brennraum eines Kraftfahrzeugmotors für jeden Einspritzdruck bzw. Kraftstoffdruck sichergestellt.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Piezo-Aktor eine Rückstellvorrichtung auf, welche dazu geeignet ist, den Piezo-Stapel in eine vorbestimmte Ausgangslage zurückzustellen, und welche zumindest eine zwischen dem Piezo-Stapel und der Düsennadel gekoppelte Kolbenvorrichtung aufweist, welche den bereitgestellten Hub überträgt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung stellt die Rückstellvorrichtung eine Rückstellkraft zum Rückstellen des Piezo-Stapels bereits, welche in allen Betriebszuständen des Piezo-Aktors kleiner als eine minimale Kraft ist, die zum Öffnen der Düse notwendig ist. Somit wird eine unerwünschte Düsennadelöffnung verhindert. Das Öffnen der Düse wird vor nehmlich durch den von dem Piezo-Stapel bereitgestellten Hub durchgeführt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Hebelübersetzungsvorrichtung zur Übersetzung des von der Kolbenvorrichtung übertragenen Hubes in einen vergrößerten Hub vorgesehen, welcher einen piezoseitigen Hebel, der mit der Kolbenvorrichtung gekoppelt ist, und einen düsennadelseitigen Hebel, der mit der Düsennadel gekoppelt ist, aufweist. Die Hebelübersetzungsvorrichtung hat den besonderen Vorteil, den von dem Piezo-Stapel bereitzustellenden, notwendigen Hub und damit die von dem Piezo-Stapel bereitzustellende, notwendige Energie zu minimieren. Somit wird die Verlustleistung des Piezo-Aktors weiter minimiert.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Rückstellvorrichtung zumindest eine Rückstellfeder und einen Federteller auf, wobei sich der Federteller auf einem Gehäuse des Piezo-Stapels aufstützt und/oder die Rückstellfeder zwischen einer Bodenplatte des Piezo-Stapels und dem Federteller angeordnet ist. Vorzugsweise weist die Rückstellvorrichtung weiterhin die Kolbenvorrichtung, welche in eine Bohrung der Bodenplatte des Piezo-Stapels eingreift, und ein hydraulisches Volumen, insbesondere ein Kraftstoffvolumen mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck, zwischen der Bodenplatte und der Koppelvorrichtung auf.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Federvorrichtung zwischen der Rückstellvorrichtung und der Hebelübersetzungsvorrichtung derart angeordnet, dass die von der Federvorrichtung bereitgestellte Kraft ausschließlich entgegen der Schließrichtung der Schließkraft wirkt. Damit ist die Unterstützung des Öffnens der Düse durch die von der Federvorrichtung bereitgestellten Kraft optimal.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Federvorrichtung scheibenförmig ausgebildet, wobei die Rückstell vorrichtung und die Hebelübersetzungsvorrichtung durch ein Loch der scheibenförmigen Federvorrichtung verbunden sind und die scheibenförmige Federvorrichtung an ihrem Außenrandbereich mit der Hebelübersetzungsvorrichtung gekoppelt ist. Durch die einseitige Kopplung der Federvorrichtung an der Hebelübersetzungsvorrichtung, insbesondere an dem piezoseitigen Hebel, wird sichergestellt, dass die von der Federvorrichtung bereitgestellte Kraft ausschließlich in Schließrichtung und nicht in Öffnungsrichtung wirken kann. Damit wird vorteilhafterweise die Öffnung der Düse nach dem Abklingen der von der Federvorrichtung bereitgestellten Kraft nicht behindert.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Federvorrichtung als ein Vorspannelement ausgebildet, welches mit der Rückstellfeder in Serie geschaltet ist und durch den anliegenden Kraftstoffdruck vorgespannt wird. Ein besonderer Vorteil der als Vorspannelement ausgebildeten Federvorrichtung besteht darin, dass die von ihr bereitgestellte Kraft, welcher der Schließkraft entgegenwirkt, unabhängig von dem Hub der Düsennadel ist.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Vorspannelement ringförmig ausgebildet, wobei das ringförmige Vorspannelement insbesondere die Bodenplatte des Piezo-Stapels umfasst.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das ringförmige Vorspannelement einen Querschnitt auf, der durch eine Hauptachse und eine Nebenachse gekennzeichnet ist. Beispielsweise ist der Querschnitt im Wesentlichen rautenförmig oder im wesentlichen ellipsenförmig ausgebildet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das ringförmige Vorspannelement derart angeordnet, dass die Hauptachse oder die Nebenachse parallel zu der Schließrichtung verläuft. Durch diese parallele Anordnung ergibt sich eine optimale Wirkung der von der Federvorrichtung bzw. dem Vorspannelement bereitgestellten Kraft gegenüber der Schließkraft.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das ringförmige Vorspannelement einen Hohlraum auf. Vorzugsweise ist der Hohlraum mit einem Fluid, einem Gas, einer Flüssigkeit, einem rieselfähigen Material, einem Polymer und/oder einem Elastomer zur Einstellung der Federkonstanten des ringförmigen Vorspannelements gefüllt. Somit kann abhängig von der Anwendung bzw. dem Einsatz des Piezo-Aktors die Federkonstante des Vorspannelements, insbesondere in Abhängigkeit des vorbestimmten Kraftstoffdrucks eingestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Piezo-Aktor in einem Hochdruckraum eines Einspritzsystems angeordnet, das insbesondere als Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Längsschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
  • 2 eine schematische Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors;
  • 3 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels des ringförmigen Vorspannelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 4 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des ringförmigen Vorspannelementes gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 5 einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des ringförmigen Vorspannelementes gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 6 ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
  • Den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck P ist gemein, dass er eine Düsennadel 2 zum Öffnen und Schließen einer Düse 18, in welche der Kraftstoff eingespritzt wird, einen steuerbaren Piezo-Stapel 3, welcher in Abhängigkeit eines Steuersignals (nicht gezeigt) einen Hub zum Betätigen der Düsennadel 2 in einer Schließrichtung R1 oder in einer Öffnungsrichtung R2 bereitstellt, und eine Federvorrichtung 6 aufweist, welche in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks P eine Kraft bereitstellt, welche zumindest teilweise eine an der Düsennadel 2 angreifenden und in Schließrichtung R1 wirkenden Schließkraft entgegenwirkt.
  • Vorzugsweise kompensiert die von der Federvorrichtung 6 bereitgestellte Kraft maximal 90%, insbesondere maximal 80% der an der Düsennadel 2 angreifenden und in Schließrichtung R1 wirkenden Schließkraft.
  • Der Piezo-Aktor 1 weist vorzugsweise eine hydraulische Rückstellvorrichtung 5 auf, welche dazu geeignet ist, den Piezo-Stapel 3 in eine vorbestimmte Ausgangslage zurückzustellen. Die hydraulische Rückstellvorrichtung 5 weist eine zwischen dem Piezo-Stapel 3 und der Düsennadel 2 gekoppelte Kolbenvorrichtung 4 auf, welche den bereitgestellten Hub überträgt. Dabei erzeugt die Rückstellvorrichtung 5 eine Rückstellkraft zum Rückstellen des Piezo-Stapels 3 in seine Ausgangslage, welche in allen Betriebszuständen des Piezo-Aktors 1 kleiner als eine minimale Kraft ist, die zum Öffnen der Düse 18 notwendig ist.
  • Weiterhin ist eine Hebelübersetzungsvorrichtung 7 zur Übersetzung des von der Kolbenvorrichtung 4 übertragenen Hubes in einen vergrößerten Hub vorgesehen. Die Hebelübersetzungsvorrichtung 7 weist einen piezoseitigen Hebel 8, der mit der Kolbenvorrichtung 4 gekoppelt ist, und einen düsennadelseitigen Hebel 9 auf, der mit der Düsennadel 2 gekoppelt ist. Die Düsennadel 2 ist dabei vorzugsweise in einem Düsenkörper 19 integriert. Weiter weist die Rückstellvorrichtung 5 zumindest eine Rückstellfeder 10 und einen Federteller 11 auf, wobei sich der Federteller 11 auf einem Gehäuse 12 des Piezo-Stapels 3 aufstützt und/oder die Rückstellfeder 10 zwischen einer Bodenplatte 13 des Piezo-Stapels 3 und dem Federteller 11 angeordnet ist. Die Rückstellvorrichtung 5 ist insbesondere durch die in die Bohrung der Bodenplatte 13 des Piezo-Stapels 3 eingreifende Kolbenvorrichtung 4, ein Volumen des Kraftstoffes mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck P zwischen der Bodenplatte 13 und der Kolbenvorrichtung 4 und der Rückstellfeder 10 ausgebildet. Sämtliche Volumen innerhalb des Piezo-Aktors 1, welche Kraftstoff mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck P aufweisen, sind durch das Bezugszeichen P gekennzeichnet.
  • Gemäß 1 ist die erfindungsgemäße Federvorrichtung 6 zwischen der Hebelübersetzungsvorrichtung 7 und der hydraulischen Rückstellvorrichtung 5 angeordnet. Die Federvorrichtung 6 erzeugt eine dem Kraftstoffdruck P proportionale Gegenkraft auf den piezoseitigen Hebel 8 der Hebelübersetzungsvorrichtung 7, weil sich mit steigendem Kraftstoffdruck P die Düsennadel 2 in Folge der Schließkrafterhöhung verkürzt und der Düsenkörper 19 verlängert. Dadurch wird der Krafteinleitungspunkt 20 des piezoseitigen Hebels 8 in Richtung der Federvorrichtung 6 verlagert. Abhängig von der Federkonstanten der Federvorrichtung 6 wird dadurch eine zu dem Kraftstoffdruck P proportionale Kraft aufgebaut, die der Schließkraft entgegenwirkt. Somit wird der Piezo-Aktor 1 insbesondere bei Beginn der Düsenöffnung unterstützt. Zur verdeutlichten Veranschaulichung zeigen das Bezugszeichen R3 die Dehnungsrichtung der Federvorrichtung 6, das Bezugszeichen R4 die Stauchungsrichtung der Düsennadel 2 und das Bezugszeichen R5 die Längungsrichtung des Düsenkörpers 19.
  • Vorzugsweise weist der vertikale Dichtspalt D zwischen der Kolbenvorrichtung 4 und der Bodenplatte 13 kolbenseitig eine zylindrische oder ballige Fläche mit sehr kurzer Längenausdehnung auf. Wegen der Ausrichtung der Kolbenstirnfläche der Kolbenvorrichtung 4 durch die scheibenförmige Federvorrichtung 6 wird die Kolbenvorrichtung 4 bei balliger Dichtfläche des Dichtspaltes D mit geringen Schrägstellungen oder bei einer zylindrischen Dichtfläche verkantungsfrei in die Bohrung der Bodenplatte 13 geführt. Die kurzen Dichtflächen der Kolbenvorrichtung 4 sind besonders vorteilhaft zur Minimierung der bewegten Massen und bei der Einhaltung enger Spieltoleranzen.
  • 2 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1. Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Piezo-Aktors 1 unterscheidet sich insbesondere von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 dahingehend, dass die Federvorrichtung 6 als ein Vorspannelement ausgebildet ist, welches mit der Rückstellfeder 10 in Serie geschaltet ist. Das Vorspannelement 6 wird durch den anliegenden Kraftstoffdruck P vorgespannt. Das Vorspannelement 6 hat die Eigenschaft, bei größeren Kraftstoffdrücken P die Rückstellfeder 10 mehr vorzuspannen als bei kleineren Kraftstoffdrücken P. Es wird somit durch den Kraftstoffdruck P bzw. den Raildruck selbst verstellt oder eingestellt. Das Vorspannelement 6 ist insbesondere als ein Ring ausgebildet, welcher die Bodenplatte 13 des Piezo-Stapels 3 umfasst.
  • Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des ringförmigen Vorspannelementes 6. Das ringförmige Vorspannelement 6 hat einen Querschnitt 14, 15, der durch eine Hauptachse L1 und zumindest eine Nebenachse L2 gekennzeichnet ist. Gemäß 3 hat das ringförmige Vorspannelement 6 einen im Wesentlichen rautenförmigen Querschnitt 14. Die Hauptachse L1 und die Nebenachse L2 definieren dabei die Raute des Querschnitts.
  • Das Vorspannelement 6 gemäß 4 weist einen Querschnitt auf, der sich aus einer Serienschaltung von zwei rautenförmigen Querschnitten 14 ergibt.
  • Das ringförmige Vorspannelement 6 gemäß 5 weist einen ellipsenförmigen Querschnitt 15 auf. Die Hauptachse L1 und die Nebenachse L2 definieren dabei die Abmessungen der Ellipse.
  • Vorzugsweise wird das ringförmige Vorspannelement derart angeordnet, dass die Hauptachse L1 oder die Nebenachse L2 parallel zu der Schließrichtung R1 verläuft. Beispielsweise verläuft die Hauptachse L1 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 parallel zu der Schließrichtung R1.
  • Vorzugsweise weist das ringförmige Vorspannelement 6 einen Hohlraum 16 auf. Der Hohlraum 16 ist insbesondere mit einem Fluid, einem Gas, einer Flüssigkeit, einem rieselfähigen Material, einem Polymer und/oder einem Elastomer zur Einstellung der Federkonstanten des ringförmigen Vorspannelements 6 gefüllt.
  • 6 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Piezo-Aktors 1 zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck P. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des Blockschaltbilds in 6 erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf:
  • Verfahrensschritt a:
  • Es wird eine Düsennadel 2 zum Öffnen und Schließen einer Düse 18 bereitgestellt, in welche der Kraftstoff eingespritzt wird.
  • Verfahrensschritt b:
  • Die Düsennadel 2 wird mit einem steuerbaren Piezo-Stapel 3 gekoppelt, welche in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Hub zum Betätigen der Düsennadel 2 in eine Schließrichtung R1 oder in eine Öffnungsrichtung R2 bereitstellt.
  • Verfahrensschritt c:
  • Die Federvorrichtung 6 wird derart angeordnet, dass sie in Abhängigkeit des Kraftstoffdrucks P eine Kraft bereitstellt, die zumindest teilweise einer an der Düsennadel 2 angreifenden und in Schließrichtung R1 wirkenden Schließkraft entgegenwirkt.
  • Obwohl die vorliegenden Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Beispielsweise ist es denkbar, den Piezo-Aktor als ein offenes System wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, oder als ein geschlossenes System auszubilden.

Claims (18)

  1. Piezo-Aktor (1) zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck (P) mit: a) einer Düsennadel (2) zum Öffnen und Schließen einer Düse (18), in welche der Kraftstoff eingespritzt wird; b) einem steuerbaren Piezo-Stapel (3), welcher in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Hub zum Betätigen der Düsennadel (2) in einer Schließrichtung (R1) oder in einer Öffnungsrichtung (R2) bereitstellt; und c) einer Federvorrichtung (6), welche in Abhängigkeit des Kraftstoffdruckes (P) eine Kraft bereitstellt, die zumindest teilweise einer an der Düsennadel (2) angreifenden und in Schließrichtung (R1) wirkenden Schließkraft entgegenwirkt.
  2. Piezo-Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Federvorrichtung (6) bereitgestellte Kraft maximal 90%, insbesondere maximal 80% der an der Düsennadel (2) angreifenden und in Schließrichtung (R1) wirkenden Schließkraft kompensiert.
  3. Piezo-Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezo-Aktor (1) eine Rückstellvorrichtung (5) aufweist, welche dazu geeignet ist, den Piezo-Stapel (3) in eine vorbestimmte Ausgangslage zurückzustellen, und welche eine zwischen dem Piezo-Stapel (3) und der Düsennadel (2) gekoppelte Kolbenvorrichtung (4) aufweist, die den bereitgestellten Hub überträgt.
  4. Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellvorrichtung (5) eine Rückstellkraft zum Rückstellen des Piezo-Stapels (3) bereitstellt, welche in allen Betriebszuständen des Piezo-Aktors (1) kleiner als eine minimale Kraft ist, die zum Öffnen der Düse (18) notwendig ist.
  5. Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hebelübersetzungsvorrichtung (7) zur Übersetzung des von der Kolbenvorrichtung (4) übertragenen Hubes in einen vergrößerten Hub vorgesehen ist, welche einen piezoseitigen Hebel (8), der mit der Kolbenvorrichtung (4) gekoppelt ist, und einen düsennadelseitigen Hebel (9), der mit der Düsennadel (2) gekoppelt ist, aufweist.
  6. Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellvorrichtung (5) eine Rückstellfeder (10) und/oder einen Federteller (11) aufweist, wobei sich der Federteller (11) auf einem Gehäuse (12) des Piezo-Stapels (3) aufstützt und/oder die Rückstellfeder (10) zwischen einer Bodenplatte (13) des Piezo-Stapels (3) und dem Federteller (11) angeordnet ist.
  7. Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (6) zwischen der Rückstellvorrichtung (5) und der Hebelübersetzungsvorrichtung (7) derart angeordnet ist, dass die von der Federvorrichtung (6) bereitgestellte Kraft ausschließlich entgegen der Schließrichtung (R1) der Schließkraft wirkt.
  8. Piezo-Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (6) scheibenförmig ausgebildet ist, wobei die Rückstellvorrichtung (5) und die Hebelübersetzungsvorrichtung (7) durch ein Loch der scheibenförmigen Federvorrichtung (6) verbunden sind und die scheibenförmige Federvorrichtung (6) an ihrem Außenrandbereich (17) mit der Hebelübersetzungsvorrichtung (7) gekoppelt ist.
  9. Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorrichtung (6) als ein Vorspannelement ausgebildet ist, welches mit der Rückstellfeder (10) in Serie geschaltet ist und durch den anliegenden Kraftstoffdruck (P) vorgespannt wird.
  10. Piezo-Aktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (6) ringförmig ausgebildet ist, wobei das ringförmige Vorspannelement (6) insbesondere die Bodenplatte (13) des Piezo-Stapels (3) umfasst.
  11. Piezo-Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Vorspannelement (6) einen Querschnitt (14, 15) aufweist, der durch eine Hauptachse (L1) und eine Nebenachse (L2) gekennzeichnet ist.
  12. Piezo-Aktor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Vorspannelement (6) einen im Wesentlichen rautenförmigen Querschnitt (14) oder einen im Wesentlichen ellipsenförmigen Querschnitt (15) aufweist.
  13. Piezo-Aktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Vorspannelement (6) derart angeordnet ist, dass die Hauptachse (L1) oder die Nebenachse (L2) parallel zu der Schließrichtung (R1) verläuft.
  14. Piezo-Aktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Vorspannelement (6) einen Hohlraum (16) aufweist.
  15. Piezo-Aktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (16) mit einem Fluid, einem Gas, einer Flüssigkeit, einem rieselfähigen Material, einem Polymer und/oder einem Elastomer zur Einstellung der Federkonstanten des ringförmigen Vorspannelementes (6) gefüllt ist.
  16. Verfahren zum Herstellen eines Piezo-Aktors (1) zum Einspritzen von Kraftstoff unter einem vorbestimmten Kraftstoffdruck (P) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 bis 15 mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Düsennadel (2) zum Öffnen und Schließen einer Düse (18), in welche der Kraftstoff eingespritzt wird; b) Koppeln der Düsennadel (2) mit einem steuerbaren Piezo-Stapel (3), welcher in Abhängigkeit eines Steuersignals einen Hub zum Betätigen der Düsennadel (2) in einer Schließrichtung (R1) oder einer Öffnungsrichtung (R2) bereitstellt; und c) Anordnen einer Federvorrichtung (6) derart, dass sie in Abhängigkeit des Kraftstoffdruckes (P) eine Kraft bereitstellt, die zumindest teilweise einer an der Düsennadel (2) angreifenden und in Schließrichtung (R1) wirkenden Schließkraft entgegenwirkt.
  17. Einspritzsystem mit einem Piezo-Aktor (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Piezo-Aktor (1) in einem Hochdruckraum des Einspritzsystems, welcher Kraftstoff mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck (P) aufweist, angeordnet ist.
  18. Einspritzsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzsystem als ein Common-Rail-Einspritzsystem ausgebildet ist.
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