DE102009013548A1 - Kraftstoffinjektor mit einem ein Vorspannsteuerelement aufweisenden Piezoaktor und Verfahren - Google Patents

Kraftstoffinjektor mit einem ein Vorspannsteuerelement aufweisenden Piezoaktor und Verfahren Download PDF

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Amy M. Metamora Hess
Daniel R. Metamora Ibrahim
Stephen R. Chillicothe Lewis
Jayaraman Dunlap Venkataraghavan
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Abstract

Ein Kraftstoffinjektor (40) beinhaltet eine Piezoaktoreinheit (46) mit einem Gehäuse (12) und einem innerhalb des Gehäuses (12) angeordneten Piezoelement (14). Das Piezoelement (14) hat einen Betriebstemperaturbereich und beinhaltet ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen zweiten Temperaturbereich, der sich mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt. Ein Vorspannsteuerelement (18) ist mit dem Piezoelement (14) gekoppelt und beinhaltet ein sich bei Wärme ausdehnendes Material mit einem positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten über den zweiten Temperaturbereich. Das Vorspannsteuerelement (18) hält eine konstante Vorspannung auf das Piezoelement (14) über einen weiten Temperaturbereich aufrecht, um während des Betriebs auftretende, temperaturbedingte Schwankungen zu verhindern, und es kann sich der axialen Verkürzung des Piezoelements (14) in Reaktion auf einen Temperaturanstieg entgegenwirkend axial verlängern.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein piezoelektrische Aktoren bzw. Piezoaktoren und piezoelektrisch betätigte Einrichtungen. Insbesondere ist die vorliegende Offenbarung darauf gerichtet, Veränderungen oder Schwankungen eines piezoelektrischen Aktors während des Betriebs mit Hilfe eines sich bei Wärme ausdehnenden Vorspannsteuerelements zu verringern oder sogar zu unterbinden.
  • Hintergrund
  • Piezoelektrische Aktoren bzw. Piezoaktoren werden immer öfters bei verschiedensten Anwendungen eingesetzt, insbesondere in Kraftstoffinjektoren. In einer bekannten Ausführungsform wird ein piezoelektrischer Aktor eingesetzt, um die Stellung eines Steuerventils zu steuern, das zur Steuerung des Einspritzens von Kraftstoff unter Verwendung eines Kraftstoffinjektors dient. Piezoelektrische Aktoren haben bewiesen, dass sie gegenüber herkömmlichen Aktoren wie z. B. Magnetaktoren einige Vorteile aufweisen. Insbesondere können piezoelektrische Aktoren unter den herkömmlichen, anspruchsvollen Bedingungen, die im Betrieb von Kraftstoffinjektoren auftreten, relativ präzise sein und wiederholbare Betätigungsvorgänge ausführen. Die oftmals überragenden Leistungen von piezoelektrischen Aktoren haben dazu geführt, dass sie in bestimmten Kraftstoffsystemen herkömmliche Aktoren ersetzen.
  • Trotz der sich durch piezoelektrische Aktoren ergebenden Vorteile haben sich besondere Herausforderungen bei der Implementierung von piezoelektrischen Aktoren in kommerziell brauchbaren Kraftstoffeinspritzsystemen ergeben. Beispielsweise kann es notwendig sein, eine Vorspannkraft auf die in piezoelektrischen Aktoren eingesetzten Piezoelemente auszuüben, damit die Aktoren einwandfrei funktionieren können. Mit anderen Worten: Piezoelemente werden typischerweise innerhalb einer Aktorbaugruppe bzw. Aktoreinheit oder dergleichen zusammengedrückt gehalten und dehnen sich gegen die Zusammendrückkraft aus, wenn ein elektrisches Potential an das Piezoelement angelegt wird. Ingenieure bemühen sich, effektive Einrichtungen zur Ausübung und Beibehaltung einer einwandfreien Vorspannung auf Piezoelemente zu entwickeln. Piezoelektrische Aktoren neigen während des Betriebs auch dazu, thermisch induzierten Abmessungsänderungen zu unterliegen.
  • Viele beim Bau von piezoelektrischen Aktoren verwendete Materialien neigen dazu, sich auszudehnen, wenn deren Temperatur ansteigt. Deswegen kann sich eine über eine Feder etc. auf ein Piezoelement ausgeübte Vorspannkraft ändern, wenn sich die Temperatur des piezoelektrischen Aktors ändert. In vielen Fällen ist es wünschenswert, die auf ein Piezoelement wirkende Vorspannung relativ präzise einzustellen, um einen konstanten Betrieb zu gewährleisten. Da Betriebsschwankungen eines Aktors die Fähigkeit eines Kraftstoffinjektors, einwandfrei zu funktionieren, beeinflussen können, wie möglicherweise, dass es zu potentiellen Unterbrechungen oder Störungen bei den technisch sehr ausgefeilten Einspritzvorgängen kommt, können Schwankungen der Vorspannung, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden können, die Gesamtmotorleistung beeinträchtigen.
  • Das für Augustine et al. erteilte US-Patent Nr. 6,983,895 (nachfolgend „Augustine” genannt) offenbart einen piezoelektrischen Aktor mit einer Kompensationseinrichtung. Im Einzelnen wird in dem piezoelektrischen Aktor von Augustine eine Kompensationseinrichtung eingesetzt, die sich ausdehnt, um eine parallele Ausdehnung eines Aktorgehäuses auszugleichen. Augustine erkennt zwar die Wichtigkeit, Einwirkungen von wärmebedingten Ausdehnungen auf den Aktor zu minimieren und mag in bestimmten Anwendungen nützlich sein, aber in anderen Fällen, insbesondere bei bestimmten Temperaturbereichen oder wenn bestimmte Materialien für den Aktor verwendet werden, ist die Lösung von Augustine möglicherweise nicht erfolgreich.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einem Aspekt beinhaltet ein piezoelektrischer Aktor ein Gehäuse und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Piezoelement, das einen Betriebstemperaturbereich aufweist. Das Piezoelement beinhaltet ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material mit einem negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen zweiten Temperaturbereich, der sich mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt. Der piezoelektrische Aktor beinhaltet ferner eine Vorspanneinrichtung, die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement ausübt, und ein Vorspannsteuerelement, das mit dem Piezoelement gekoppelt ist und ein sich bei Wärme ausdehnendes Material mit einem positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten über den zweiten Temperaturbereich beinhaltet.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper und eine Steuerventilanordnung, die innerhalb des Injektorkörpers angeordnet ist. Der Kraftstoffinjektor beinhaltet ferner eine Aktoreinheit für die Steuerventilanordnung, wobei die Aktoreinheit ein Gehäuse und ein innerhalb des Gehäuses angeordnetes Piezoelement beinhaltet, das ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material beinhaltet. Die Aktoreinheit beinhaltet ferner eine Vorspanneinrichtung, die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement ausübt, und ein Vorspannsteuerelement, das ein sich bei Wärme ausdehnendes Material beinhaltet, das dazu ausgebildet ist, entgegen einem Verkürzen des Piezoelements sich in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu verlängern.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Verfahren zum Verringern oder Unterbinden von Schwankungen im Betrieb eines piezoelektrischen Aktors mit einem Piezoelement den Schritt des Auswählens von mindestens einem der Merkmale Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient eines Vorspannsteuerelements, wobei der Verfahrensschritt des Auswählens zumindest zum Teil auf der Eigenschaft des Piezoelements basiert, sich bei Wärme zusammenzuziehen. Das Verfahren beinhaltet ferner den Schritt des Ausdehnens des Vorspannsteuerelements entgegen einem Verkürzen des Piezoelements in Reaktion auf einen Temperaturanstieg.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Kraftstoffinjektors gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2a ist ein Entwurfsschaubild einer Piezoaktoreinheit bei einer ersten Temperatur, und
  • 2b ist ein Entwurfsschaubild der Piezoaktoreinheit der 2a bei einer zweiten, höheren Temperatur.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es wird nun Bezug genommen auf die 1. Darin ist ein Kraftstoffinjektor 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Kraftstoffinjektor 40 beinhaltet einen Injektorkörper 42 mit einem ersten Gehäuseteil 43 und einem zweiten Gehäuseteil 45. Eine Aktoreinheit 46 ist an dem Injektorkörper 42 angebracht und zwischen dem zweiten Gehäuseteil 45 und dem ersten Gehäuseteil 43 geschaltet. In einer Ausführungsform kann die Aktoreinheit 46 mit einer Steuerventilanordnung 68 mittels einer Stange 66 operativ gekoppelt sein. Die Steuerventilanordnung 68 kann so ausgebildet sein, dass ein auf eine Steuerfläche 74 einer Auslassdüsennadel 74 des Kraftstoffinjektors 40 ausgeübter Fluiddruck gesteuert wird. Kraftstoff mit einem relativ hohen Druck kann über einen Kraftstoffeinlass 72, der mit der Auslassdüsennadel 70 strömungstechnisch verbunden ist, dem Kraftstoffinjektor 40 zugeführt werden. In einer Ausführungsform kann der Kraftstoffeinlass 72 so ausgebildet sein, dass er mit einer Hochdruck-Kraftstoffverteilerleiste in einem Kraftstoffsystem (nicht gezeigt), die einen Kraftstoffinjektor 40 beinhaltet, verbunden ist. Die Auslassdüsennadel 70 kann zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung bewegbar sein, um wahlweise eine Reihe von Düsenspritzöffnungen 76 mit dem Einlass 72 zu verbinden, um so das Einspritzen von Kraftstoff mittels des Kraftstoffinjektors 40 in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, wie beispielsweise ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung, zu steuern. Wie es aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich wird, mag die Aktoreinheit 46 eine einzigartige Einrichtung sein, die gewährleistet, dass durch Temperaturänderungen bedingte Betriebsschwankungen minimiert werden. Indem Betriebsschwankungen verhindert oder zumindest reduziert werden, werden wiederum Schwankungen der Steuerventilanordnung 44 während des Betriebs verringt und ein zuverlässiger Betrieb des Kraftstoffinjektors 40 über einen relativ breiten Temperaturbereich ermöglicht.
  • Die Aktoreinheit 46 kann einen ein Gehäuse 12 aufweisenden piezoelektrischen Aktor 10 und ein innerhalb des Gehäuses 12 angeordnetes Piezoelement 14 umfassen. Der Piezoaktor 10 kann ferner eine Vorspanneinrichtung 16 beinhalten, die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement 14 ausübt. In einem Ausführungsbeispiel kann das Piezoelement 14 einen Stapel von Piezoscheiben 20 umfassen, die durch die Vorspanneinrichtung 16 zusammengedrückt gehalten werden. Der Piezoaktor 10 kann ferner ein Vorspannsteuerelement 18 beinhalten, das mit dem Piezoelement 14 gekoppelt und typischerweise damit in Kontakt ist, um eine Vorspannung auf das Piezoelement aufrecht zu erhalten oder zu steuern, wie es nachfolgend noch beschrieben wird.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann die Vorspanneinrichtung 16 eine Multifunktionsfederanordnung 22 umfassen, die innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist und ein Bauteil umfasst, das von dem Gehäuse 12 getrennt ist. Die Federanordnung 22 kann erstes Segment 24 beinhalten, das einen Kolben 26 umfasst, welches ein Kontaktelement 28 hierauf aufweist, das dazu ausgebildet ist, die Stange 66 zur Steuerung der Steuerventilanordnung 44 zu kontaktieren. Die Federanordnung 22 kann ferner ein zweites Segment 30 beinhalten, das eine Feder 36, wie beispielsweise eine Schraubenfeder, mit einem Piezoelement 14 umfasst, das zumindest zum Teil darin angeordnet ist, und ein drittes Segment 32. Die Feder 36 und weitere Teile der Federanordnung 22 können innerhalb des Gehäuses 12 fluiddicht untergebracht sein. In einem Ausführungsbeispiel kann das dritte Segment 32 ein Einschraubgewinde 34 zum im Eingriff mit einem Verriegelungselement 35 zum Festlegen oder Einstellen einer Vorspannung auf das Piezoelement 14, indem die Feder 36 zusammengedrückt wird oder sich mehr ausdehnen kann. Das Verriegelungselement 35 kann in einem Ausführungsbeispiel eine Gewindemutter sein. Eine vollständigere Erläuterung und Erklärung der Merkmale und der prinzipiellen Funktionsweise einer Multifunktionsfederanordnung ähnlich der Multifunktionsfederanordnung 22 kann aus der für den vorliegenden Anmelder eingereichten und anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 11/998,642 entnommen werden.
  • Der piezoelektrische Aktor 10 kann ferner einen Raum 62 beinhalten, beispielsweise wie er zum Teil durch die Feder 36, die an das Piezoelement 14 angrenzt, begrenzt ist. Ein Wärmekompensationsmaterial 60, wie beispielsweise ein wärmeleitendes Silikongel oder dergleichen kann sich in dem Raum 62 befinden und mit dem Piezoelement 14 wärmeleitend in Kontakt sein. Es kann eine flexible Membran 23 vorhanden sein, die zwischen dem Kolben 26 und dem Gehäuse 12 angeordnet und mit diesem gekoppelt ist, und sie kann dazu ausgebildet sein, sich während der Aktivierung und Deaktivierung des Piezoelements 14 in bekannter Weise zu verbiegen. Die Piezoaktoreinheit 46 kann ferner einen Deckel 64, einen ersten elektrischen Anschluss oder elektrische Anschlussklemme 52 und einen zweiten elektrischen Anschluss oder elektrische Anschlussklemme 54 beinhalten, die sich zur herkömmlichen Kontaktierung mit einem elektrischen System eines Motors (nicht gezeigt) durch den Deckel 64 erstrecken. In einem Ausführungsbeispiel kann das Vorspannsteuerelement 18 eine an einem Ende des Piezoelements 14 angeordnete erste Vorspannsteuerscheibe 18a und einen an einem gegenüberliegenden Ende des Piezoelements 14 angeordnete weitere Vorspannsteuerscheibe 18b beinhalten. Das Piezoelement 14 kann so zwischen den Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b eingeklemmt sein. Das Verriegelungselement 35 kann an der Vorspannsteuerscheibe 18a anschlagen, und der Kolben 26 kann an die Vorspannsteuerscheibe 18b anliegen. Eine Drehung des Verriegelungselements 35 kann die Zusammendrückkraft, die die Vorspannung auf das Piezoelement 14 festlegt, durch Zusammendrücken oder Ausdehnen der Feder 36 erhöhen oder verringern. In anderen Ausführungsformen könnte eine einzige Vorspannsteuerscheibe oder mehr als zwei Vorspannsteuerscheiben verwendet werden. Oder die Vorspannsteuerscheiben könnten in der Aktoreinheit 46 in einer sich von der gezeigten unterscheidenden Ausgestaltung positioniert sein, wie beispielsweise, dass sie aneinander angrenzen. In einer praktischen Implementierung werden die Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b mit dem Piezoelement 14 in Reihe angeordnet sein und sie können eine gemeinsame Mittelachse mit dem Piezoelement 14 und mit dem Kraftstoffinjektor 40 aufweisen. Eine Längsachse Z des Kraftstoffinjektors 40 ist in der 1 gezeigt und umfasst die gemeinsame Mittelachse. In einem Ausführungsbeispiel kann die Vorspannsteuerscheibe 18a ein erstes Loch 48 und ein zweites Loch 50 aufweisen. Die elektrischen Anschlüsse 52 und 54 können sich durch das Loch 48 bzw. 50 erstrecken und ein erstes Dichtungselement 56 und ein zweites Dichtungselement 58, wie beispielsweise O-Ringe, können eine Dichtung zwischen dem Loch 48 bzw. 50 und den entsprechenden elektrischen Anschlüssen 52 bzw. 54 bilden.
  • Wie zuvor erläutert, kann die Aktoreinheit 46 einzigartig dazu ausgebildet sein, durch Temperaturschwankungen bedingte Betriebsschwankungen des piezoelektrischen Aktors 10 zu unterbinden. Es ist nochmals hervorzuheben, dass bestimmte Komponenten des piezoelektrischen Aktors Abmessungsänderungen unterliegen, wenn sich deren Temperatur ändert. Die vorliegende Offenbarung stellt ein Verfahren zum Kompensieren derartiger Abmessungsänderungen bereit, bei dem, basierend auf der Erkenntnis, wie sich die verschiedenen Materialien bei bestimmten Temperaturen oder innerhalb bestimmter Temperaturbereiche verhalten, bestimmte Materialien und Eigenschaften der Komponenten bzw. Bauteile der Aktoreinheit 46 ausgewählt werden. Obwohl einen Aktor betreffende Maßnahmen bekannt sind, wie beispielsweise die zuvor beschriebene Veröffentlichung von Augustine, die Abmessungsänderungen der Komponenten in Reaktion auf Temperaturänderungen erkennt und ein Verfahren zum Kompensieren derartiger Abmessungsänderungen vorschlägt, versagen diese Maßnahmen dabei, das nichtlineare und relativ komplexe thermische Verhalten bestimmter Materialien vollständig zu berücksichtigen. Beispielsweise ist man bisher davon ausgegangen, dass die meisten Materialien, die auch piezoelektrische Materialien beinhalten, sich in Reaktion auf einen Temperaturanstieg ausdehnen, was allerdings nicht immer der Fall ist. Man hat nun erkannt, dass sich piezoelektrische Materialien in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zumindest über bestimmte Temperaturbereiche zusammenziehen können. Somit kann man sagen, dass bestimmte piezoelektrische Materialien die Eigenschaft haben, sich bei Wärme zusammenzuziehen, was in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu einem axialen Verkürzen führen kann. Die vorliegende Offenbarung nutzt diese Einsicht dahingehend, dass eine Vorspannung auf ein Piezoelement 14 trotz dessen Temperaturänderungen beibehalten wird, wie es nachfolgend weiter beschrieben wird. Weitere Ausführungsformen mögen dahingehend abgewandelt sein, dass eine Vorspannung auf eine Piezoelement in Reaktion auf Temperaturänderungen basierend auf eine Zielvorspannung geändert wird. Mit anderen Worten: Anstatt dass eine konstante Vorspannung beibehalten wird, könnte die Aktoreinheit 46 so ausgebildet sein, dass eine Vorspannung auf ein Piezoelement 14 in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu- oder abnimmt, so dass eine vorgegebene Sollvorspannung bei bestimmter Temperatur erzielt wird.
  • Das Piezoelement 14 kann einen Betriebstemperaturbereich haben, beispielsweise einen mit einem oberen Ende bei ungefähr 150°C und einem unteren Ende bei ungefähr –40°C. Das Piezoelement 14 kann ferner ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material beinhalten, das einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten über einen zweiten Temperaturbereich hat, der zwischen ungefähr 90°C und ungefähr 120°C liegt und sich somit mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt. Mit anderen Worten: Das Piezoelement 14 kann Materialien wie beispielsweise piezoelektrische kristalline Materialien beinhalten, die sich zusammenziehen, wenn ein Temperaturanstieg über einen bestimmten Temperaturbereich erfahren wird, wobei der Temperaturbereich einen Unterbereich umfasst oder sich teilweise mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt. Wie zuvor erwähnt, kann das thermische Verhalten des Piezoelements 14 relativ komplex sein und dessen Wärmeausdehnungskoeffizient kann über bestimmte Temperaturbereiche positiv und über andere Temperaturbereiche negativ sein. Der zweite Temperaturbereich repräsentiert einen optimalen Auslegungstemperaturbereich, könnte jedoch in verschiedenen Aktoren oder in verschiedenen Aktoranwendungen variieren.
  • Bei der Herstellung bestimmter piezoelektrischer Materialien wie beispielsweise solche, die im Piezoelement 14 verwendet werden, wird beispielsweise eine relativ hohe elektrische Spannung an die piezoelektrischen Materialien angelegt, um die piezoelektrischen Kristalle in einer gewünschten Ausrichtung anzuordnen und einen einwandfreien Betrieb zu ermöglichen. Dieser Vorgang ist im Stand der Technik als „Polen” bekannt. Zumindest bei manchen piezoelektrischen Materialien können Temperaturanstiege das Polen der während der Herstellung sich entwickelten Kristalle gestört werden. Man hat entdeckt, dass Störungen beim Polen der piezoelektrischen Kristalle in piezoelektrischen Elementen, wie beispielsweise ein Piezoelement 14, tatsächlich bewirken kann, dass sich das piezoelektrische Element zusammenzieht. Die vorliegende Offenbarung berücksichtigt, dass eine Störung des Polens der piezoelektrischen Kristalle in dem zweiten Temperaturbereich, der beispielsweise innerhalb einer oberen Hälfte des Betriebstemperaturbereichs liegen kann, bewirken kann, dass sich das Piezoelement 14 axial verkürzt.
  • Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung besteht somit in der Verwendung der sich bei Wärme ausdehnenden Materialien wie beispielsweise Aluminium und Aluminiumlegierungen in Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b, um ein axiales Verkürzen des Piezoelements 14 in dem zweiten Temperaturbereich zu kompensieren. Insbesondere kann das Vorspannsteuerelement 18 ein sich bei Wärme ausdehnendes Material umfassen, das einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten über den zweiten Temperaturbereich aufweist. Dieses Merkmal ermöglicht, dass sich die Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b entgegen dem axialen Verkürzen des Piezoelements 14 in Reaktion auf einen Temperaturanstieg axial verlängern. In einer Ausführungsform kann eines oder mehrere der Merkmale Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient des Vorspannsteuerelements 18 zumindest zum Teil auf einer wärmebedingten Kontraktionseigenschaft ausgewählt werden, wie beispielsweise ein axiales Verkürzen des Piezoelements 14. Wenn die Temperatur des piezoelektrischen Aktors 10 ansteigt, kann sich während des Betriebs das Vorspannsteuerelement 18 einer Verkürzung des Piezoelements 14 entgegenwirkend ausdehnen oder verlängern, um eine Nettovorspannung auf das Piezoelement 14 in gewünschter Weise beizubehalten oder zu steuern.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Es wird nun Bezug genommen auf die 2a und 2b. Darin sind Konzeptschaubilder von piezoelektrischen Aktoren bzw. Piezoaktoren 10 bei einer ersten Temperatur und einer zweiten, höheren Temperatur gezeigt. Die in den 2a und 2b dargestellten Temperaturen können eine erste Temperatur, siehe 2a, an einem unteren Ende des zweiten Temperaturbereichs und eine zweite Temperatur, siehe 2b, an einem oberen Ende des zweiten Temperaturbereichs sein. In der 2a ist das Gehäuse 12 mit einer Länge A1 gezeigt. Die erste Vorspannsteuerscheibe 18a ist mit einer Länge B1 gezeigt, und das Piezoelement 14 ist mit einer Länge C1 gezeigt. Die zweite Vorspannsteuerscheibe 18b hat eine Länge D1, wohingegen die Federanordnung 22 eine Länge E1 aufweist. Zusammengenommen bilden die jeweiligen Längen die Länge L des piezoelektrischen Aktors 10.
  • In der 2b, die die Anordnung bei einer höheren Temperatur als in der 2a zeigt, sind verschiedene Längen anders. Das Gehäuse 12 hat in der 2b eine zweite Länge A2, die ungefähr die Gleiche ist wie die Länge A1, die in der 2a gezeigt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann das Gehäuse 12 aus Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sein, der nahe oder gleich null ist, wie beispielsweise Materialien, die normalerweise unter der Marke INVAR® verfügbar sind. In einer spezifischen Ausführungsform kann der positive Wärmeausdehnungskoeffizient des Gehäuses 12 über den oder im Bereich des oben beschriebenen zweiten Temperaturbereichs ungefähr 0,12 × 10–5 m/m K betragen. In der 2b ist auch die relativ größere Länge E2 der Federanordnung 22 gezeigt. In einer Ausführungsform kann die Federanordnung 22 aus Stahl hergestellt sein, der einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 1,2 × 10–5 m/m K über den oder im Bereich des zweiten Temperaturbereichs hat. Jede Vorspannsteuerscheibe 18a und 18b kann, wie zuvor erläutert, Aluminium umfassen und kann parallel zu dem Gehäuse 12 angeordnet sein. In einer Ausführungsform besitzt jede der Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b in 2b eine relative größere Länge B2 bzw. D2. Ein absoluter Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Gehäuses 12 ist so bestimmt, dass er kleiner ist als der absolute Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Vorspannsteuerelements 18, und er kann auch so gewählt sein, dass es kleiner ist als der absolute Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Piezoelements 14. Aluminium oder andere Materialien, aus denen die Vorspannsteuerscheiben 18a und 18b hergestellt sein können, können einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr 2,5 × 10–5 m/m K über den zweiten Temperaturbereich haben. Das Piezoelement 14 kann eine relativ kürzere Länge C2 bei einer relativ höheren Temperatur, wie in 2b gezeigt, besitzen. In einem Ausführungsbeispiel kann das Piezoelement 14 ein keramisches Material umfassen, das einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ungefähr –0,3 × 10–5 m/m K über den zweiten Temperaturbereich aufweist.
  • In den Darstellungen der 2a und 2b sind die Abmessungsänderungen der verschiedenen Komponenten etwas übersteigert. Es ist jedoch zu beachten, dass in jedem Fall die Gesamtlänge L des Aktors 10 bei den Temperaturbedingungen, die in den 2a und 2b dargestellt sind, ungefähr gleich bleibt. Es ist zu berücksichtigen, dass die Länge des Aktors 10 innerhalb des zweiten Temperaturbereichs relativ konstant bleibt und in manchen Fällen innerhalb des gesamten Betriebsbereichs gleich bleibt, was bestimmte Vorteile mit sich bangt. Wir wenden uns nun wieder der 1 zu, wo typischerweise ein relativ kleiner Luftspalt zwischen der Stange 66 und dem Kolben 26 vorhanden sein wird. Allgemein ist es wünschenswert, eine Größenänderung dieses Luftspalts bei Temperaturänderungen zu minimieren. Somit mag das Beibehalten der Länge des Aktors 10 über einen relativ weiten Temperaturbereich verhindern, dass Änderungen oder Schwankungen während des Betriebs des Aktors 10 auftreten, die ansonsten aufgrund von einer Änderung der Größe des Luftspalts zwischen dem Kolben 26 und der Stange 66 auftreten würden. Durch die Implementierung der Lehren der vorliegenden Offenbarung mag eine Nettoänderung des Luftspalts zwischen der Stange 66 und dem Kolben 26 ungefähr 9 Mikrometer oder weniger betragen. Überdies mag die Vorspannung auf das Piezoelement 14 unabhängig von der Temperatur im Wesentlichen die Gleiche sein und auch die Schwankungen während des Betriebs des Aktors 10 bei verschiedenen Temperaturen verringern oder eliminieren sich.
  • Ein größerer Teil der voranstehenden Beschreibung stellt das Konfigurieren der Wärmeausdehnungseigenschaften des Vorspannsteuerelements 18 heraus, um das wärmebedingte Zusammenziehen des Piezoelements 14 zu kompensieren. Es ist aber offensichtlich, dass eine Vielzahl von Faktoren bei der Auswahl geeigneter Materialien mit geeigneten Wärmeausdehnungs- oder Wärmeschrumpfungseigenschaften zur Konstruktion des Aktors 10 und anderer Komponenten der Aktoreinheit 46 herangezogen werden können. Beispielsweise kann, wie zuvor erwähnt, die Feder 36 eine Federkonstante haben, die mit dem Temperaturanstieg negativ korreliert. Mit anderen Worten: Die mittels der Feder 36 zur Vorspannung des Piezoelements 14 verfügbare Zusammendrückkraft kann abnehmen, wenn die Temperatur der Feder 36 zunimmt. Parallel zu den in den 2a und 2b dargestellten Abmessungsänderungen können Änderungen der Federkonstante der Feder 36 auftreten. Folglich könnte beim Auswählen der Größe, der Zusammensetzung und/oder des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Vorspannsteuerelements 18 auch die Relativänderung der über die Feder 36 verfügbaren Vorspannkraft berücksichtigt werden. Die Größe, die Zusammensetzung und/oder der Wärmeausdehnungskoeffizient des Vorspannsteuerelements 18 könnten somit auf der Federkonstanten der Feder 36 als auch der Eigenschaft des Piezoelements 14, sich bei Wärme zusammenzuziehen, basieren. In Fällen, in denen die Feder 36 bei einem gegebenen Temperaturanstieg eine relativ große Abnahme der Federkonstante erfährt, mag es wünschenswert sein, für das Vorspannsteuerelement 18 ein Material auszuwählen, das einen relativ großen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, zumindest in einem Temperaturbereich, der dem gegebenen Temperaturanstieg entspricht. Der umgekehrte Fall kann ebenfalls zutreffen. Und in Fällen, in denen eine Federkonstante der Feder 36 für einen vorgegebenen Temperaturanstieg weniger anfällig für Änderungen ist, könnte der Wärmeausdehnungskoeffizient des Vorspannsteuerelements 18 für den gegebenen Temperaturanstieg relativ gesehen kleiner gewählt werden.
  • Die vorliegende Beschreibung erörtert auch das Beibehalten der Vorspannung auf das Piezoelement 14 und die Aufrechterhaltung der Länge L des Aktors 10. Eine praktische Vorgehensweise bei der Realisierung eines Aktors kann somit darin bestehen, den Aktor 10 so zu gestalten, dass dessen Abmessungen und die Vorspannung unabhängig von der Temperatur relativ konstant bleiben. In anderen Beispielen könnte jedoch die Vorspannung auf das Piezoelement 14 und sogar die Abmessungen des Aktors 10 in Reaktion auf einen Temperaturanstieg absichtlich sich verändernd gedacht sein. In einer Ausführungsform kann die Vorspannung auf das Piezoelement 14 anfänglich niedriger als eine Sollvorspannung festgelegt sein und die Materialien und Komponenten des Aktors 10 könnten so ausgebildet und konfiguriert sein, dass die Vorspannung auf das Piezoelement 14 zunimmt, wenn die Temperatur ansteigt, und zwar in Richtung auf die Sollvorspannung. Die folgende Offenbarung ist somit dahingehend zu verstehen, dass eine Vielzahl von verschiedenen Systemen umfasst ist, in denen eine Vorspannung auf ein Piezoelement bei bestimmten Temperaturen entsprechend einer gewünschten Vorspannung gesteuert oder geregelt wird. Dies kann der Fall sein unabhängig davon, ob eine konstante Vorspannung gehalten werden soll oder die Vorspannung in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zunehmen oder abnehmen soll.
  • Die vorliegende Beschreibung ist lediglich zur Veranschaulichung gedacht und sollte nicht dahingehend verstanden werden, den vorliegenden breiten Offenbarungsgehalt in irgendeiner Weise zu schmälern. Somit ist es für einen Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen in den vorliegenden offenbarten Ausführungsbeispielen gemacht werden könnten, ohne dass der tatsächliche und angemessene Offenbarungsgehalt der vorliegenden Offenbarung verlassen wird. Weitere Aspekte und Merkmale werden nach Studium der beigefügten Zeichnungen und Ansprüche ersichtlich.
  • 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
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Claims (10)

  1. Piezoaktor (10) enthaltend: ein Gehäuse (12), ein Piezoelement (14), das innerhalb des Gehäuses (12) angeordnet ist und einen Betriebstemperaturbereich aufweist, wobei das Piezoelement (14) ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material beinhaltet, das über einen zweiten Temperaturbereich, der sich mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt, einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, eine Vorspanneinrichtung (16), die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement (14) ausübt, und ein Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b), das mit dem Piezoelement (14) gekoppelt ist und ein sich bei Wärme ausdehnendes Material umfasst, das über den zweiten Temperaturbereich einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten hat.
  2. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1, wobei: wenigstens eines der Merkmale Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient des Vorspannsteuerelements (18, 18a, 18b) zum Teil auf einer wärmebedingten Kontraktionseigenschaft des Piezoelements (14) basiert, und das Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b), das Piezoelement (14) und die Vorspanneinrichtung (16) in Reihe angeordnet sind und eine gemeinsame Mittelachse aufweisen, wobei die wärmebedingte Kontraktionseigenschaft ein axiales Verkürzen des Piezoelement (14) umfasst und das Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b) dazu ausgebildet ist, sich der axialen Verkürzung des Piezoelements (14) in Reaktion auf einen Temperaturanstieg entgegenwirkend axial zu verlängern.
  3. Piezoaktor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Vorspanneinrichtung (16) eine innerhalb des Gehäuses (12) fluiddicht untergebrachte Feder (36) beinhaltet und das Piezoelement (14) einen zumindest teilweise innerhalb der Feder (36) befindlichen Stapel aus Piezoscheiben (20) enthält, und der Piezoaktor (10) des Weiteren eine Multifunktionsfederanordnung (22) beinhaltet, die sich innerhalb des Gehäuses (12) befindet, wobei die Multifunktionsfederanordnung (22) ein erstes Segment (24), das sich innerhalb eines ein Kontaktelement (28) aufweisenden Kolbens (26) befindet, ein die Feder (36) enthaltendes zweites Segment (30) und ein drittes Segment (32), das ein Einschraubgewinde (34) zum Festlegen oder Einstellen der Vorspannkraft beinhaltet, aufweist.
  4. Piezoaktor (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b) mehrere Vorspannssteuerscheiben (18a, 18b) beinhaltet und der Stapel aus Piezoscheiben (20) zwischen den mehreren Vorspannsteuerscheiben (18a, 18b) angeordnet ist.
  5. Kraftstoffinjektor (40) beinhaltend: einen Injektorkörper (42), eine Steuerventilanordnung (44), die sich innerhalb des Injektorkörpers (42) befindet, eine Aktoreinheit (46) für die Steuerventilanordnung (44), wobei die Aktoreinheit (46) ein Gehäuse (12) und ein innerhalb des Gehäuses (12) angeordnetes Piezoelement (14), das ein sich bei Wärme zusammenziehendes Material beinhaltet, aufweist, und wobei die Aktoreinheit (46) des Weiteren eine Vorspanneinrichtung (16) beinhaltet, die eine Vorspannkraft auf das Piezoelement (14) ausübt, und ein Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b), das ein sich bei Wärme ausdehnendes Material umfasst, das dazu ausgebildet ist, sich entgegen einer Verkürzung des Piezoelements (14) in Reaktion auf einen Temperaturanstieg zu verlängern.
  6. Kraftstoffinjektor (40) nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse (12) der Aktoreinheit (46) an dem Injektorkörper (42) befestigt ist und die Vorspanneinrichtung (16) eine Feder (36) umfasst, die von dem Gehäuse (12) getrennt und fluiddicht hierin angeordnet ist.
  7. Kraftstoffinjektor (40) nach Anspruch 5 oder 6, wobei: das Piezoelement (14) einen Betriebstemperaturbereich hat und das sich bei Wärme zusammenziehende Material in einem zweiten Temperaturbereich, der sich mit dem Betriebstemperaturbereich überlappt, einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, und die Feder (36) eine Federkonstante besitzt, die mit dem Temperaturanstieg negativ korreliert, wobei das Piezoelement (14) eine thermische Kontraktionseigenschaft aufweist und zumindest eines der Merkmale Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient des Vorspannsteuerelements (18, 18a, 18b) zum Teil auf der Federkonstante und zum Teil auf der thermischen Kontraktionseigenschaft basiert.
  8. Kraftstoffinjektor (40) nach einem der Ansprüche 5–7, wobei: das Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b) ein erstes Loch (48) und ein zweites Loch (50) aufweist, wobei der Kraftstoffinjektor (40) ferner einen ersten elektrischen Anschluss (52), der sich durch das erste Loch (48) erstreckt und mit dem Piezoelement (14) elektrisch verbunden ist, und einen zweiten elektrischen Anschluss (54), der sich durch das zweite Loch (50) erstreckt und ebenfalls mit dem Piezoelement (14) elektrisch verbunden ist, beinhaltet, das Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b) eine Vorspannsteuerscheibe (18a) beinhaltet, die das erste Loch (48) und das zweite Loch (50) aufweist, und wobei der Kraftstoffinjektor (40) des Weiteren ein erstes Dichtungselement (56) aufweist, das die Abdichtung zwischen dem ersten elektrischen Anschluss (52) und dem ersten Loch (48) leistet, und ein zweites Dichtungselement (58), das die Abdichtung zwischen dem zweiten elektrischen Anschluss (54) und dem zweiten Loch (50) leistet.
  9. Verfahren zum Verringern oder Unterbinden von Veränderungen während des Betriebs eines ein Piezoelement (14) aufweisenden Piezoaktors (10), umfassend die Schritte: Auswählen von einem oder mehreren der Merkmale Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient eines Vorspannsteuerelements (18, 18a, 18b) basierend zumindest zum Teil auf einer thermischen Kontraktionseigenschaft des Piezoelements (14), und Ausdehnen des Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b) in Reaktion auf einen Temperaturanstieg entgegen einer Verkürzung des Piezoelements (14).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Auswählens das Auswählen von einem oder mehreren der Merkmale Größe, Zusammensetzung und Wärmeausdehnungskoeffizient basierend zum Teil auf einer axialen Verkürzung des Piezoelements (14) beinhaltet, und wobei der Schritt des Ausdehnens eine axiale Verlängerung des Vorspannsteuerelements (18, 18a, 18b) beinhaltet, wobei das Verfahren ferner die Verfahrensschritte umfasst: Unterbinden einer Änderung einer Vorspannkraft auf das Piezoelement (14) mittels des Ausdehnverfahrensschritts, und Anordnen von mehreren Vorspannsteuerscheiben (18a, 18b), die das Vorspannsteuerelement (18, 18a, 18b) bilden, in Reihe mit einem das Piezoelement (14) bildenden Stapel aus Piezoscheiben (20), vor dem Verfahrensschritt des Ausdehnens.
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