-
Die
Erfindung betrifft eine Aktoreinheit für ein Einspritzventil
und ein Einspritzventil.
-
Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen
Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen
angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen
vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden.
Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen
zu senken. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig
von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine.
-
Eine
entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden,
wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von
Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu 2000 Bar. Derart hohe Drücke stellen hohe Anforderungen
an die Konstruktion eines Einspritzventils. Gleichzeitig werden
hohe Anforderungen an die Aktoreinheit für das Einspritzventil
gestellt.
-
Die
DE 196 53 555 A1 offenbart
einen piezoelektrischen Aktor mit einem Gehäuse, in das
mindestens ein piezoelektrisches Element eingebracht ist, das von
einer Steuereinheit ansteuerbar ist, wobei Haltemittel vorgesehen
sind, die das piezoelektrische Element seitlich stabilisieren, und
Mittel mit Federwirkung angeordnet sind, die das piezoelektrische Element
gegen seine Ausdehnungsrichtung vorspannen, wobei die Federkraft
der Mittel derart gewählt ist, dass sich bei einer Ansteuerung
des piezoelektrischen Elements des piezoelektri sche Element gegen die
Federkraft ausdehnt, wobei die Mittel mit Federwirkung die Haltemittel
umfassen und dass die Mittel mit Federwirkung und die Haltemittel
mindestens teilweise ineinander greifen.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aktoreinheit und ein Einspritzventil
zu schaffen, die bzw. das einen zuverlässigen und präzisen
Betrieb des Einspritzventils ermöglicht.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Aktoreinheit
für ein Einspritzventil, mit einem Gehäusekörper
mit einer Längsachse, der eine Gehäusekörperausnehmung aufweist,
durch die eine innere Wand des Gehäusekörpers
ausgebildet ist, und einem Piezoaktuator, der in der Gehäusekörperausnehmung
angeordnet ist und einen Kopfendabschnitt hat, der einen elektrischen
Anschluss aufweist, mittels dem der Piezoaktuator mit einer Spannungsquelle
elektrisch koppelbar ist, wobei ein Federelement zwischen der inneren Wand
des Gehäusekörpers und dem Kopfendabschnitt des
Piezoaktuators angeordnet und fest mit der inneren Wand des Gehäusekörpers
und dem Kopfendabschnitt des Piezoaktuators gekoppelt ist, derart,
dass eine radiale Bewegung des Kopfendabschnitts des Piezoaktuators
relativ zu dem Gehäusekörper begrenzt wird.
-
Das
Federelement ist sowohl an der inneren Wand des Gehäusekörpers
als auch am Kopfendabschnitt des Piezoaktuators fixiert. Der Vorteil
dieser Anordnung besteht darin, dass dadurch eine geringe Bewegung
des Kopfendabschnitts des Piezoaktuators relativ zu dem Gehäusekörper
in radialer Richtung bezogen auf die Längsachse und damit
nur kleine niederfrequente Schwingungen der elektrisch leitenden
Komponenten auftreten können. Damit ist eine mechanisch
stabile elektrische Verbindung des Piezoaktuators mit der Spannungsquelle
erreichbar. Des Weiteren ist es möglich, Reibrost zwischen
dem Kopfendabschnitt des Piezoaktuators und der inneren Wand des
Gehäusekörpers zu vermeiden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Federelement
stoffschlüssig mit der inneren Wand des Gehäusekörpers
und/oder dem Kopfendabschnitt des Piezoaktuators gekoppelt. Dies
hat den Vorteil, dass die stoffschlüssige Verbindung eine
langfristig stabile mechanische Kopplung zwischen dem Federelement
und dem Piezoaktuator bzw. dem Gehäusekörper ermöglicht.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der
Kopfendabschnitt des Piezoaktuators einen sich in axialer Richtung
erstreckenden Stift auf, und das Federelement ist zwischen der inneren
Wand des Gehäusekörpers und dem Stift angeordnet.
Damit ist eine einfache Kopplung des Federelements mit dem Piezoaktuator
mittels des Stifts ermöglicht.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das
Federelement einen im Wesentlichen scheibenförmigen Abschnitt
auf, der derart zwischen der inneren Wand des Gehäusekörpers und
dem Stift angeordnet ist, dass er sich ausgehend von dem Stift im
Wesentlichen in alle radialen Richtungen bezogen auf die Längsachse
hin zu der inneren Wand des Gehäusekörpers erstreckt.
Dies hat den Vorteil, dass das Federelement die radiale Bewegung
des Kopfendabschnitts des Piezoaktuators relativ zu dem Gehäusekörper
in alle Richtungen homogen begrenzen kann.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das
Federelement einen inneren Kragen und einen äußeren
Kragen auf, und der innere Kragen ist mit dem Stift und der äußere
Kragen mit der inneren Wand des Gehäusekörpers
gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass die Kragen eine einfache und
steife mechanische Kopplung zwischen dem Federelement und dem Piezoaktuator
bzw. dem Gehäusekörper ermöglichen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt
sich der innere Kragen ausgehend von dem scheibenförmigen
Abschnitt des Federelements in Richtung auf den Piezoaktuator, und
der äußere Kragen erstreckt sich ausgehend von dem
scheibenförmigen Abschnitt des Federelements in Richtung
von dem Piezoaktuator weg. Damit kann das Federelement in vorteilhafter
Weise in einer relativ großer Entfernung vom elektrischen
Anschluss des Piezoaktuators angeordnet werden.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einer Düsenbaugruppe und einer Aktoreinheit gemäß des ersten
Aspekts der Erfindung, wobei die Aktoreinheit zum Einwirken auf
die Düsenbaugruppe ausgebildet ist.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Einspritzventil im Längsschnitt,
-
2 eine
vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts eines
ersten Ausführungsbeispiels einer Aktoreinheit des Einspritzventils,
und
-
3 eine
vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts eines
weiteren Ausführungsbeispiels der Aktoreinheit des Einspritzventils.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt
ein Einspritzventil 10 mit einer Aktoreinheit 14 und
einer Düsenbaugruppe 60. Das Einspritzventil 10 wird
vorzugsweise genutzt zum Einsatz als Kraftstoffeinspritzventil für
eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs. Die Aktoreinheit 14 hat
einen Gehäusekörper 12 mit einer Gehäusekörperausnehmung 13,
in der ein Piezoaktuator 16 angeordnet ist. Der Piezoaktuator 16 hat
mindestens ein Piezoelement 17, das seine Länge
in axialer Richtung ändert abhängig von einem
Steuersignal, das an den Piezoaktuator 16 angelegt wird.
-
Die
Düsenbaugruppe 60 umfasst einen Düsenkörper 20 mit
einer Längsachse A und einer Düsenkörperausnehmung 24,
die sich in axialer Richtung in dem Düsenkörper 20 erstreckt.
An einem freien Ende der Düsenkörperausnehmung 24 ist
ein Fluidaustritt 28 ausgebildet, der in geöffneter
oder geschlossener Position ist, abhängig von der axialen Position
einer Düsennadel 22. Das Einspritzventil 10 umfasst
ferner einen Fluideintritt 26, der in dem Gehäusekörper 12 angeordnet
ist und der hydraulisch mit der Düsenkörperausnehmung 24 gekoppelt
ist. Über eine nicht dargestellte Fluidleitung ist der
Fluideintritt 26 mit einer Hochdruckkammer einer Brennkraftmaschine
gekoppelt, in der der Kraftstoff unter einem bestimmten Druck, zum
Beispiel unter einem Druck von ungefähr 200 bar gespeichert
ist.
-
Der
Düsenkörper 20 hat einen Absatz 32 und die
Düsennadel 22 hat einen Absatz 34, wobei
beide Absätze 32, 34 als Auflage für
eine Hauptfeder 30 dienen, die zwischen dem Düsenkörper 20 und
der Düsennadel 22 angeordnet ist.
-
Das
Einspritzventil 10 ist ein nach außen öffnendes
Ventil. In einer alternativen Ausführungsform kann das
Einspritzventil 10 auch von einem nach innen öffnenden
Typ sein. Zwischen der Düsennadel 22 und dem Düsenkörper 20 ist
ein Faltenbalg 36 angeordnet, der den Düsenkörper 20 mit
der Düsennadel 22 dichtend koppelt. Damit ist
ein Fluidstrom zwischen der Düsenkörperausnehmung 24 und
der Gehäusekörperausnehmung 13 verhindert.
Des Weiteren ist der Faltenbalg 36 so ausgebildet und angeordnet,
dass die Düsennadel 22 durch den Piezoaktuator 16 ansteuerbar
ist.
-
Die 2 und 3 zeigen
Details der Aktoreinheit 14. Der Piezoaktuator 16 hat
an seinem der Düsenbaugruppe 60 abgewandten Ende
einen Kopfendabschnitt 42 mit einer Kopfplatte 18,
die an das Piezoelement 17 grenzt, und einen an die Kopfplatte 18 angrenzenden
Stift 46. Die Gehäusekörperausnehmung 13 hat
eine innere Wand 15. In der Gehäusekörperausnehmung 13 ist
ein thermischer Kompensator 40, der Kopfendabschnitt 42 des
Piezoaktuators 16 und ein Federelement 48 angeordnet.
Das Federelement 48 wird weiter unten im Detail beschrieben.
-
Der
Stift 46 des Kopfendabschnitts 42 des Piezoaktuators 16 ermöglicht
eine mechanische Kopplung des Piezoaktuators 16 mit dem
thermischen Kompensator 40. Der Kopfendabschnitt 42 des
Piezoaktuators 16 umfasst weiter einen Anschlußstift 45 für
die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Piezoaktuator 16.
Der Piezoaktuator 16 ändert seine Länge
in axialer Richtung, wenn an ihn eine elektrische Spannung angelegt
wird. Durch die Änderung der Länge des Piezoaktuators 16 kann eine
Kraft auf die Düsennadel 22 ausgeübt
werden. Über die von dem Piezoaktuator 16 ausgeübte
Kraft kann sich die Düsennadel 22 in axialer Richtung
bewegen, um so einen Fluidstrom durch eine Einspritzdüse 29 zu
ermöglichen oder zu verhindern.
-
Die
Aktoreinheit 14 für das Einspritzventil 10 hat
weiter einen Anschlussstecker 56 mit einem Steckerkörper 57,
in dem ein Anschlussstift 58 angeordnet ist. Über
den Anschlussstecker 56 kann eine Spannung an den Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 angelegt werden. Der Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 und der Anschlussstift 45 des
Piezoaktuators 16 bilden zusammen einen elektrischen Anschluss 44 des
Piezoaktuators 16. Da der Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 mit dem Anschlussstift 45 des
Piezoaktuators 16 elektrisch gekoppelt ist, ist auf einfache
Weise eine Zufuhr von elektrischer Energie von außen an
den Piezoaktuator 16 möglich.
-
Das
Federelement 48 ist zwischen der inneren Wand 15 des
Gehäusekörpers 12 und dem Stift 46 des
Piezoaktuators 16 angeordnet und fest mit der inneren Wand 15 des
Gehäusekörpers 12 und dem Stift 46 des
Piezoaktuators 16 gekoppelt.
-
Das
Federelement 48 ist aufgebaut aus einem scheibenförmigen
Abschnitt 50, einem inneren Kragen 52 und einem äußeren
Kragen 54. Der scheibenförmige Abschnitt 50 des
Federelements 48 erstreckt sich ausgehend von dem Stift 46 in
radialer Richtung bezogen auf die Längsachse A zu der inneren
Wand 15 des Gehäusekörpers 12.
Der innere Kragen 52 ist mit dem Stift 46 gekoppelt
und erstreckt sich ausgehend von dem scheibenförmigen Abschnitt 50 des
Federelements 48 in Richtung auf den Piezoaktuator 16 hin
(2). Der äußere Kragen 54 ist
mit der inneren Wand 15 des Gehäusekörpers 12 gekoppelt
und erstreckt sich ausgehend von dem scheibenförmigen Abschnitts 50 des
Federelements 48 in Richtung von dem Piezoaktuator 16 weg.
Dieser Aufbau des Federelements 48 ist besonders vor teilhaft,
da damit ein großer Abstand zwischen dem Federelement 48 und
dem Anschlußstift 58 des Anschlußsteckers 56 hergestellt
werden kann. Es ist so einfach möglich, elektrische Kurzschlüsse
im Bereich des elektrischen Anschlusses 44 des Piezoaktuators 16 zu
vermeiden.
-
In
der in 3 dargestellten Ausführungsform der Aktoreinheit 14 erstreckt
sich der innere Kragen 52 von dem scheibenförmigen
Abschnitt 50 des Federelements 48 in Richtung
von dem Piezoaktuator 16 weg. Dies hat den Vorteil, dass
der Stift 46 des Piezoaktuators 16 besonders einfach
in dem Federelement 48 montiert werden kann, indem der
Stift 46 des Piezoaktuators 16 in die durch den
inneren Kragen 52 des Federelements 48 ausgebildete
Ausnehmung eingeschoben werden kann.
-
Vorzugsweise
ist das Federelement 48 mit der inneren Wand 15 des
Gehäusekörpers 12 und mit dem Kopfendabschnitt 42 des
Piezoaktuators 16 stoffschlüssig gekoppelt. Besonders
bevorzugt ist, wenn der innere Kragen 52 des Federelements 48 und
der äußere Kragen 54 des Federelements 48 durch
Verpressen oder Schweißen mit der inneren Wand 15 des
Gehäusekörpers 12 beziehungsweise dem
Stift 46 des Piezoaktuators 16 gekoppelt ist.
-
Das
Federelement 48 ist vorzugsweise als Scheibe aus einem
ausscheidungsgehärteten, rostfreien Stahl mit einer Stärke
von vorzugsweise von 0,10 bis 0,25 mm gebildet. Dies ermöglicht
gute Federeigenschaften des Federelements 48 und eine sichere
Montage des Federelements 48 zwischen dem Stift 46 des
Piezoaktuators 16 und der inneren Wand 15 des
Gehäusekörpers 12. Des Weiteren sind
ausscheidungsgehärtete, rostfreie Stähle besonders
widerstandsfähig gegenüber den in Einspritz ventilen für
Brennkraftmaschinen herrschenden aggressiven Umgebungsbedingungen.
-
Das
Federelement 48 ist, bevor es in das Einspritzventil 10 eingebracht
wird, vorzugsweise so ausgebildet, dass der innere Kragen 52 in
einem Winkel von 7–10° gegenüber der
Normalen des scheibenförmigen Abschnitts 50 nach
innen abgewinkelt ist, und der äußere Kragen 54 in
einem Winkel von 7–10° gegenüber der
Normalen des scheibenförmigen Abschnitts 50 nach
außen abgewinkelt ist. Damit kann das Federelement 48 unter
Ausbildung einer mechanischen Vorspannung besonders sicher zwischen
der inneren Wand 15 des Gehäusekörpers 12 und
dem Stift 46 des Piezoaktuators 16 angeordnet
werden.
-
Im
Folgenden soll die Funktion des Einspritzventils 10 kurz
beschrieben werden:
Der Kraftstoff wird von dem Fluideintritt 26 durch
den Gehäusekörper 12 zu der Düsenkörperausnehmung 24 und
schließlich zu dem Fluidaustritt 28 geführt.
Ein Fluidstrom vom Fluideintritt 26 zu der Gehäusekörperausnehmung 13 mit
dem Piezoaktuator 16 wird durch den Faltenbalg 36 verhindert.
-
In
einer Schließposition der Düsennadel 22 verhindert
diese einen Fluidstrom durch den Fluidaustritt 28 im Düsenkörper 20.
-
Durch
Anlegen einer Spannung an den Piezoaktuator 16 kann das
Piezoelement 17 seine Länge ändern. Durch
die Längenänderung des Piezoelements 17 kann
eine Kraft auf die Düsennadel 22 ausgeübt
werden. Die Düsennadel 22 kann damit in axialer
Richtung aus ihrer Schließposition bewegt werden. Außerhalb
der Schließposition der Düsennadel 22 besteht
eine Lücke zwischen dem Düsenkörper 20 und
der Düsennadel 22 an dem axialen Ende des Einspritzventils 10,
das von dem Piezoaktuator 16 abgewandt ist. Außerhalb
der Schließposition der Düsennadel 22 ermöglicht
die Düsennadel 22 einen Fluidstrom durch den Fluidaustritt 28 und
damit durch die Einspritzdüse 29.
-
Die
Hauptfeder 30 kann die Düsennadel 22 über
den Absatz 34 der Düsennadel 22 in Richtung auf
den Piezoaktuator 16 mit Kraft beaufschlagen. Liegt keine
Spannung an dem Piezoaktuator 16 an, so ist die Länge
des Piezoaktuators 16 reduziert. Die Hauptfeder 30 zwingt
die Düsennadel 22 zu einer Bewegung in axialer
Richtung in ihre Schließposition. Abhängig von
dem Kräftegleichgewicht zwischen der durch die Hauptfeder 30 auf
die Düsennadel 22 ausgeübte Kraft und
der durch den Piezoaktuator 16 auf die Düsennadel 22 ausgeübte
Kraft ist die Düsennadel 22 in einer Schließposition
oder in einer Öffnungsposition.
-
Beim
Anlegen einer Spannung an den Piezoaktuator 16 treten niederfrequente
Schwingungen an dem Kopfendabschnitt 42 des Piezoaktuators 16 mit der
Kopfplatte 18 und dem Stift 46 auf. Durch die
Anordnung des Federelements 48 zwischen dem Gehäusekörper 12 und
dem Stift 46 des Piezoaktuators 16 kann erreicht
werden, dass diese niederfrequenten Schwingungen in radialer Richtung
klein gehalten werden. Damit ist erreichbar, dass der elektrische
Anschluss 44 des Piezoaktuators 16 als Verbindungsstelle
zwischen dem Anschlußstift 45 des Piezoaktuators 16 und
dem Anschlussstift 58 des Anschlusssteckers 56 nur
mehr geringen niederfrequenten Schwingungen ausgesetzt ist. Damit
kann der Anschlussstift 58 des Anschlusssteckers 56 auch
auf direkte Weise, das heißt, ohne einen zusätzlichen
Abschnitt, der ansonsten niederfrequente Schwingungen des Kopfendabschnitts 42 des
Piezoaktuators 16 aufnehmen kann, mit dem Anschlussstift 45 des
Piezoaktuators 16 gekoppelt werden. Es kann eine lange
Betriebsdauer der Akto reinheit 14 erreicht werden, indem
eine langfristig stabile feste Kopplung zwischen dem Anschlußstift 45 des
Piezoaktuators 16 und dem Anschlussstift 58 des
Anschlusssteckers 56 erreicht wird.
-
Des
Weiteren kann erreicht werden, dass die Kopfplatte 18 des
Kopfendabschnitts 42 des Piezoaktuators 16 nicht
mit der Innenwand 15 des Gehäusekörpers 12 in
Kontakt kommt, wodurch das Entstehen von Reibrost zwischen dem Kopfendabschnitt 42 und
dem Gehäusekörper 12 vermieden werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-