DE102009055134A1

DE102009055134A1 - Injection valve, particularly injector for fuel injection systems, has valve housing, piezoelectric actuator arranged in valve housing and valve element that is actuated by actuator

Info

Publication number: DE102009055134A1
Application number: DE200910055134
Authority: DE
Inventors: Gernot 71665 Wuerfel; Ingo 70565 Kerkamm; Martin 73527 Kessler; Georg 74395 Hejtmann; Andreas 70563 Jakobi; Ivan 70197 Spremo; Alexander 74862 Konstandin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30

Abstract

The injection valve (1) has a valve housing (2), a piezoelectric actuator (4) arranged in the valve housing and a valve element (14) that is actuated by the actuator. The actuator is supported at the valve housing over an adjustment element (20). A thermal expansion coefficient of the adjustment element and a thermal expansion coefficient of the valve housing are provided such that thermal length changes in a working connection between the actuator and the valve housing are reduced.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.The invention relates to an injection valve, in particular an injector for fuel injection systems. Specifically, the invention relates to the field of injectors for fuel injection systems of air compressing, auto-ignition internal combustion engines or mixture-compression, spark-ignition internal combustion engines.

Aus der DE 101 62 250 A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt. Das bekannte Brennstoffeinspritzventil umfasst einen piezoelektrischen Aktor und einen von dem Aktor betätigbaren Ventilschließkörper, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Hierbei ist in einem Betätigungspfad zwischen dem Aktor und dem Ventilschließkörper ein Ausgleichsspalt vorhanden. In dem Aktor oder in dem Betätigungspfad ist ein Messelement vorgesehen, wobei das Messelement die durch den Aktor auf den Ventilschließkörper ausgeübten Kräfte misst und der Aktor so geregelt wird, dass der Ausgleichsspalt geschlossen gehalten wird.From the DE 101 62 250 A1 For example, a fuel injection valve for injecting fuel directly into a combustion chamber of an internal combustion engine is known. The known fuel injection valve comprises a piezoelectric actuator and an actuatable by the actuator valve closing body, which cooperates with a valve seat surface to a sealing seat. In this case, a compensation gap is present in an actuating path between the actuator and the valve closing body. In the actuator or in the actuating path, a measuring element is provided, wherein the measuring element measures the forces exerted by the actuator on the valve closing body forces and the actuator is controlled so that the compensation gap is kept closed.

Bei dem aus der DE 101 62 250 A1 bekannten Brennstoffeinspritzventil ergibt sich das Problem, dass zum Schließen des Spalts ein gewisser Anteil des zur Verfügung stehenden Hubs des piezoelektrischen Aktors benötigt wird, so dass der zum Betätigen des Ventilschließkörpers verbleibende Hubanteil reduziert ist. Um dies auszugleichen, ist ein entsprechend lang gebauter piezoelektrischer Aktor erforderlich, was sich auf eine entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffeinspritzventils auswirkt. Der als Ausgleichsspalt dienende Spalt ändert aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aktors und eines Injektorgehäuses bei einer Änderung der Umgebungstemperatur seine Größe.In the from the DE 101 62 250 A1 known fuel injection valve there is the problem that for closing the gap, a certain proportion of the available stroke of the piezoelectric actuator is required, so that the remaining for actuating the valve closing body stroke proportion is reduced. To compensate for this, a correspondingly long-built piezoelectric actuator is required, which has an effect on a corresponding design of the fuel injection valve. The gap serving as a gap changes its size due to the different coefficients of thermal expansion of the actuator and an injector housing when the ambient temperature changes.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine verbesserte Betätigung des Ventilelements durch den piezoelektrischen Aktor ermöglicht ist. Speziell kann ein direkt schaltendes Einspritzventil realisiert werden, wobei ein hydraulischer Koppler entfallen kann und wobei eine vorteilhafte Ausnutzung des von dem piezoelektrischen Aktor erzielbaren Hubs zur Betätigung des Ventilelements ermöglicht ist.The injection valve according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that an improved actuation of the valve element is made possible by the piezoelectric actuator. Specifically, a direct-switching injection valve can be realized, wherein a hydraulic coupler can be omitted and wherein an advantageous utilization of the achievable by the piezoelectric actuator stroke for actuating the valve element is made possible.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Einspritzventils möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous developments of the injection valve specified in claim 1 are possible.

Der piezoelektrische Aktor ist als piezoelektrischer Vielschichtaktor ausgestaltet. Hierbei handelt es sich um ein metallisiertes keramisches Bauelement. In vorteilhafter Weise kann das Einspritzventil als direktschaltender Injektor mit solch einem Vielschichtaktor ausgestaltet sein, bei dem der Aktor in unmittelbarem Kontakt mit dem Ventilelement, insbesondere einem als Düsennadel ausgestaltetem Ventilelement, steht. Hierdurch ist eine spannungs- oder ladungsgesteuerte Auslenkung des piezoelektrischen Aktors möglich, die eine direkte Öffnung des Steuerventils zur Folge hat. Bei indirekt schaltenden Injektoren wird hingegen über ein Servoventil eine Bewegungsumkehr realisiert. Aktor und Düsennadel bewegen sich dabei in entgegengesetzte Richtungen. Ein Vorteil des piezoelektrischen Aktors ist die Realisierung präziser und sehr schneller Auslenkungen bei gleichzeitiger Ausübung hoher Kräfte.The piezoelectric actuator is designed as a piezoelectric multilayer actuator. This is a metallized ceramic component. In an advantageous manner, the injection valve can be designed as a direct-acting injector with such a multilayer actuator, in which the actuator is in direct contact with the valve element, in particular a valve element designed as a nozzle needle. As a result, a voltage or charge controlled deflection of the piezoelectric actuator is possible, which has a direct opening of the control valve result. In indirect switching injectors, however, a reversal of motion is realized via a servo valve. Actuator and nozzle needle move in opposite directions. An advantage of the piezoelectric actuator is the realization of precise and very fast deflections while simultaneously exerting high forces.

Das Einspritzventil ist aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt. Als Bauteile dienen unter anderem das Ventilgehäuse, der piezoelektrische Aktor und das Ausgleichselement, über das der piezoelektrische Aktor an dem Ventilgehäuse abgestützt ist. Hierbei kann der Aktor direkt an dem Ausgleichselement anliegen. Es kann aber auch ein Zwischenelement als weiteres Bauteil zwischen dem Aktor und dem Ausgleichselement vorgesehen sein. Entsprechend kann das Ausgleichselement direkt an dem Ventilgehäuse anliegen oder auch mittels eines weiteren Bauteils an dem Ventilgehäuse abgestützt sein. Ferner ist es auch möglich, dass mehrere Ausgleichselemente zum Einsatz kommen. Das Ventilgehäuse und das piezokeramische Material des piezoelektrischen Aktors haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Hierbei hat das piezoelektrische Material des Aktors einen sehr niedrigen oder leicht negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Das Ventilgehäuse, das beispielsweise aus einem Stahl gebildet ist, hat einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten. In einem möglichen Einsatzbereich, beispielsweise von –40°C bis 150°C, ergibt sich somit eine thermische Inkompatibilität zwischen dem Ventilgehäuse und dem piezoelektrischen Aktor von beispielsweise ca. 130 μm. Diese thermische Inkompatibilität bringt das Problem mit sich, dass diese speziell bei hohen Temperatur eine Spaltbildung in der Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Ventilelement verursacht. Eine denkbare Möglichkeit, um solch eine Spaltbildung auszugleichen und um eine konstante Anpresskraft des Aktors gegen die Düsennadel zu gewährleisten, besteht im Einsatz eines hydraulischen Kopplers. Dieser kann nahezu statisch ablaufende Längenänderungen, insbesondere einen Temperatureinfluss, kompensieren, verhält sich bei dynamischen Prozessen, die bei der Aktoransteuerung auftreten, jedoch sehr steif und ermöglicht so eine Bewegung des Ventilelements durch den Piezoaktor. Solch ein hydraulischer Kuppler wird jedoch vorzugsweise eingespart. Ferner kann ein direktschaltendes Einspritzventil realisiert werden.The injection valve is composed of several components. The components used include, inter alia, the valve housing, the piezoelectric actuator and the compensating element, via which the piezoelectric actuator is supported on the valve housing. In this case, the actuator can rest directly on the compensation element. But it can also be provided as an additional component between the actuator and the compensation element, an intermediate element. Accordingly, the compensation element may rest directly on the valve housing or be supported by means of a further component on the valve housing. Furthermore, it is also possible that several compensation elements are used. The valve housing and the piezoceramic material of the piezoelectric actuator have different thermal expansion coefficients. Here, the piezoelectric material of the actuator has a very low or slightly negative coefficient of thermal expansion. The valve housing, which is formed for example of a steel, has a positive coefficient of thermal expansion. In a possible field of use, for example, from -40 ° C to 150 ° C, thus resulting in a thermal incompatibility between the valve housing and the piezoelectric actuator, for example, about 130 microns. This thermal incompatibility entails the problem that it causes a gap formation in the operative connection between the actuator and the valve element, especially at high temperature. One possible way to compensate for such a gap and to ensure a constant contact force of the actuator against the nozzle needle, is the use of a hydraulic coupler. This can compensate for virtually static length changes, especially a temperature influence, behaves in dynamic processes that occur in the Aktoransteuerung, however, very stiff and thus allows movement of the valve element by the piezoelectric actuator. However, such a hydraulic coupler is preferably saved. Furthermore, a direct-switching injection valve can be realized.

Durch die Wahl des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ausgleichselements und des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ventilgehäuses kann in vorteilhafter Weise das Ausdehnungsverhalten des piezoelektrischen Aktors kompensiert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ausgleichselements größer vorgegeben ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ventilgehäuses. Somit wird der niedrige und gegebenenfalls leicht negative Wärmeausdehnungskoeffizient des piezokeramischen Materials des Aktors durch den großen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ausgleichselements ergänzt, wodurch ein vorteilhafter Ausgleich zur Reduzierung einer Spaltbildung erzielt ist. Somit kann die thermische Inkompatibilität zwischen dem piezoelektrischen Aktur und dem Ventilgehäuse mit konstruktiven Maßnahmen, nämlich dem Einsatz des Ausgleichselements und der Auswahl geeigneter Materialien, minimiert werden. Beispielsweise kann auf diese Weise eine Spaltbildung zwischen dem Aktur und dem Ventilelement in der Wirkverbindung zwischen dem Aktur und dem Ventilelement in einem Temperaturbereich von beispielsweise etwa –40°C bis etwa 150°C auf wenige Mikrometer gesenkt werden.By selecting the coefficient of thermal expansion of the compensating element and the thermal expansion coefficient of the valve housing, the expansion behavior of the piezoelectric actuator can be compensated in an advantageous manner. It is advantageous that the coefficient of thermal expansion of the compensating element is set greater than the thermal expansion coefficient of the valve housing. Thus, the low and possibly slightly negative coefficient of thermal expansion of the piezoceramic material of the actuator is complemented by the large coefficient of thermal expansion of the compensating element, whereby an advantageous balance for reducing a gap formation is achieved. Thus, the thermal incompatibility between the piezoelectric device and the valve housing can be minimized with design measures, namely the use of the compensating element and the selection of suitable materials. For example, in this way, a gap formation between the Aktur and the valve element in the operative connection between the Aktur and the valve element in a temperature range of, for example, about -40 ° C to about 150 ° C can be reduced to a few microns.

Außerdem kommt es neben den Temperatureinflüssen noch zu anderen Einflüssen, die einen Spalt in der Wirkverbindung zwischen dem Aktur und dem Ventilelement hervorrufen können. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Fertigungstoleranzen, Verschleiß oder auch eine verbleibende thermische Inkompatibilität, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten nicht vollständig ausgeglichen ist. Diesbezüglich wird in vorteilhafter Weise eine nicht verschwindende mechanische Spannung in der Wirkverbindung zwischen dem Aktur und dem Ventilelement vorgegeben. Beispielsweise kann der Aktur in einem Ausgangszustand konstant mit einer gewissen Anpresskraft an dem Ventilelement anliegen. Zum Betätigen des Ventilelements ist dann allerdings noch eine größere Kraft erforderlich, um beispielsweise einen Einspritzvorgang auszulösen. Toleranzen können somit über eine Variation der Anpresskraft ausgeglichen werden.In addition, there are other influences besides the temperature influences, which can cause a gap in the operative connection between the aktur and the valve element. These are, for example, manufacturing tolerances, wear or even a remaining thermal incompatibility, which is not fully compensated by the different thermal expansion coefficients. In this regard, a non-vanishing mechanical stress in the operative connection between the Aktur and the valve element is given in an advantageous manner. For example, in an initial state, the armature can rest constantly on the valve element with a certain contact pressure. For actuating the valve element, however, a larger force is then required, for example, to initiate an injection process. Tolerances can thus be compensated by a variation of the contact pressure.

In vorteilhafter Weise ist eine Steuerung vorgesehen, die den Aktor so ansteuert, dass die nicht verschwindende mechanische Spannung in der Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Ventilelement erzielt ist.Advantageously, a controller is provided which controls the actuator so that the non-vanishing mechanical stress in the operative connection between the actuator and the valve element is achieved.

Vorteilhaft ist es auch, dass der Aktor über die Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Ventilelement mit einer Anpresskraft auf das Ventilelement einwirkt, die eine vorgegebene minimale Anpresskraft nicht unterschreitet. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass zum Betätigen des Ventilelements eine Betätigungskraft des Aktors auf das Ventilelement erforderlich ist, die größer als die vorgegebene minimale Anpresskraft ist. Somit kann stets ein Spalt in der Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Ventilelement ausgeglichen und somit verhindert werden. Eine unerwünschte Betätigung des Aktors wird hierbei vermieden.It is also advantageous that the actuator acts via the operative connection between the actuator and the valve element with a contact pressure on the valve element, which does not fall below a predetermined minimum contact force. In this case, it is also advantageous that an actuation force of the actuator on the valve element is required for actuating the valve element, which is greater than the predetermined minimum contact force. Thus, a gap in the operative connection between the actuator and the valve element can always be compensated and thus prevented. An undesirable actuation of the actuator is thereby avoided.

Vorteilhaft ist es ferner, dass der Aktor über das Ausgleichselement fest an dem Ventilgehäuse abgestützt ist. Speziell ist kein hydraulischer Koppler oder dergleichen vorgesehen, der eine variable Anordnung des Aktors bezüglich des Ventilgehäuses ermöglicht. Somit kann ein direktschaltendes Einspritzventil realisiert werden, das eine optimierte Baugröße aufweist und das auf Grund der eingesparten Komponenten kostengünstig herstellbar ist. Vorteilhaft ist es somit auch, dass das Ventilelement einen Ventilschließkörper aufweist, der mit einer Ventilsitzfläche zu einem Dichtsitz zusammenwirkt, wobei der Aktor den Ventilschließkörper direkt schaltet.It is also advantageous that the actuator is firmly supported on the compensating element on the valve housing. Specifically, no hydraulic coupler or the like is provided which allows a variable arrangement of the actuator with respect to the valve housing. Thus, a direct-switching injection valve can be realized, which has an optimized size and which is inexpensive to produce due to the saved components. It is thus also advantageous that the valve element has a valve closing body which cooperates with a valve seat surface to a sealing seat, wherein the actuator switches the valve closing body directly.

Ferner ist es vorteilhaft, dass der Aktor ein Sensorelement aufweist, das zum Erfassen der mechanischen Spannungen der Wirkverbindung zwischen dem Aktor und dem Ventilelement dient. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass das Sensorelement zumindest eine piezokeramische Schicht und an die piezokeramische Schicht angrenzende Elektrodenschichten aufweist. Das Sensorelement kann hierdurch in vorteilhafter Weise in den piezoelektrischen Aktor integriert werden.Furthermore, it is advantageous that the actuator has a sensor element which serves for detecting the mechanical stresses of the operative connection between the actuator and the valve element. In this case, it is further advantageous that the sensor element has at least one piezoceramic layer and electrode layers adjoining the piezoceramic layer. The sensor element can thereby be integrated in an advantageous manner in the piezoelectric actuator.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 ein Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung. 1 an embodiment of an injection valve of the invention in a partial, schematic sectional view.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein Einspritzventil 1 entsprechend einem Ausführungsbeispiel in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung. Das Einspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor 1 für Brennstoffeinspritzanlagen dienen. Speziell eignet sich das Einspritzventil 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen. Hierbei kann das Einspritzventil 1 für solche oder auch andere Anwendungen bei Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Nutzkraftwagen oder Personenkraftwagen, zum Einsatz kommen. Das erfindungsgemäße Einspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. 1 shows an injection valve 1 according to an embodiment in a schematic, excerpted sectional view. The injection valve 1 especially as an injector 1 serve for fuel injection systems. In particular, the injection valve is suitable 1 for fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines or mixture-compression, spark-ignited internal combustion engines. Here, the injection valve 1 for such or other applications in motor vehicles, especially in commercial vehicles or passenger cars used come. The injection valve according to the invention 1 However, it is also suitable for other applications.

Das Einspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, das mehrteilig ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann das Ventilgehäuse 2 einen Düsenkörper und einen Haltekörper aufweisen, die auf geeignete Weise miteinander verbunden sind. In dem Ventilgehäuse 2 ist ein Aktorraum 3 ausgestaltet, in dem ein piezoelektrischer Aktor 4 angeordnet ist. Der piezoelektrische Aktor 4 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 5 und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 5 angeordneten Elektrodenschichten 6 auf. Die keramischen Schichten 5 sind aus einem piezokeramischen Material ausgebildet. Ferner weist der Aktor 4 Außenelektrodenanbindungen 7, 8 auf, die abwechselnd mit den Elektrodenschichten 6 verbunden sind. Die Außenelektrodenanbindungen 7, 8 sind über elektrische Anschlussleitungen 9, 10 mit einer Steuerung 11 verbunden.The injection valve 1 has a valve housing 2 on, which can be configured in several parts. For example, the valve housing 2 a nozzle body and a holding body, which are connected to each other in a suitable manner. In the valve housing 2 is an actor room 3 configured in which a piezoelectric actuator 4 is arranged. The piezoelectric actuator 4 has a variety of ceramic layers 5 and a plurality of between the ceramic layers 5 arranged electrode layers 6 on. The ceramic layers 5 are formed of a piezoceramic material. Furthermore, the actuator has 4 External electrode connections 7 . 8th on, alternating with the electrode layers 6 are connected. The external electrode connections 7 . 8th are via electrical connection cables 9 . 10 with a controller 11 connected.

Außerdem ist in dem Ventilgehäuse 2 ein Brennstoffraum 12 ausgebildet, in den über eine Brennstoffleitung 13 Brennstoff führbar ist. Beispielsweise kann die Brennstoffleitung 13 das Einspritzventil 1 mit einem Common-Rail verbinden, das unter hohem Druck stehenden Dieselbrennstoff speichert.In addition, in the valve housing 2 a fuel room 12 trained in the over a fuel line 13 Fuel is feasible. For example, the fuel line 13 the injection valve 1 connect to a common rail that stores high pressure diesel fuel.

Das Einspritzventil 1 weist ein Ventilelement 14 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist an dem Ventilelement 14 ein Ventilschließkörper 15 ausgestaltet, der mit einer Ventilsitzfläche 16, die an dem Ventilgehäuse 2 ausgebildet ist, zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. In diesem Ausführungsbeispiel liegt der Aktor 4 mit einer Stirnseite 17 des Aktors 4 an einer Stirnseite 18 des Ventilelements 14 an. Hierbei kann auch eine Druckplatte, ein Übergangsstück oder dergleichen vorgesehen sein, um eine mittelbare Anlage des Aktors 4 an dem Ventilelement 14 zu erreichen. Somit besteht eine Wirkverbindung zwischen dem Aktor 4 und dem Ventilelement 14. Diese Wirkverbindung ermöglicht eine direkt Betätigung des Ventilelements 14 mittels des Aktors 4. Somit kann der Ventilschließkörper 15 von dem Aktor 4 direkt geschaltet werden. Der Aktor 4 stützt sich hierbei über ein Ausgleichselement 20 an dem Ventilgehäuse 2 ab, so dass der Aktor 4 fest in dem Ventilgehäuse 2 angeordnet ist. Hierbei liegt eine Stirnseite 21 des Aktors 4 an dem Ausgleichselement 20 an.The injection valve 1 has a valve element 14 on. In this embodiment is on the valve element 14 a valve closing body 15 designed, with a valve seat 16 attached to the valve body 2 is formed, cooperating with a sealing seat. In this embodiment, the actuator is located 4 with a front side 17 of the actor 4 on a front side 18 of the valve element 14 at. In this case, a pressure plate, a transition piece or the like may be provided to an indirect system of the actuator 4 on the valve element 14 to reach. Thus, there is an operative connection between the actuator 4 and the valve element 14 , This operative connection allows direct actuation of the valve element 14 by means of the actuator 4 , Thus, the valve closing body 15 from the actor 4 be switched directly. The actor 4 relies on a compensation element 20 on the valve body 2 off, leaving the actor 4 firmly in the valve body 2 is arranged. This is an end face 21 of the actor 4 on the compensating element 20 at.

Im Betrieb des Einspritzventils 1 kommt es zu einer Erwärmung der einzelnen Bauteile des Einspritzventils 1. Andererseits kann es bei kalten Umgebungsbedingungen, insbesondere im Winter, in der Startphase zu einem Betrieb bei noch stark gekühlten Bauteilen kommen. Je nach Einsatzzweck des Einspritzventils 1 wird hierbei ein Temperaturbereich spezifiziert, der beispielsweise von –40°C bis 150°C reichen kann. In solch einem Temperaturbereich kommt es auf Grund des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ventilgehäuses 2 zu einer temperaturbedingten Längenänderung innerhalb des Temperaturbereichs. Da der piezoelektrische Aktor 4 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der sich von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Ventilgehäuses 2 unterscheidet, besteht zwischen diesen Bauteilen eine thermische Inkompatibilität. Diese Inkompatibilität wird durch das Ausgleichselement 20 zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest weitgehend ausgeglichen. Hierbei ist ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Ausgleichselement 20 größer vorgegeben als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ventilgehäuses 2. Somit kann im Betrieb eine Spaltbildung zwischen der Stirnseite 18 des Ventilelements 14 und der Stirnseite 17 des Aktors 4 reduziert werden.In operation of the injector 1 There is a heating of the individual components of the injector 1 , On the other hand, it can come in cold conditions, especially in winter, in the startup phase to operate in still highly cooled components. Depending on the intended use of the injector 1 In this case, a temperature range is specified which can range, for example, from -40 ° C to 150 ° C. In such a temperature range, it comes on the basis of the thermal expansion coefficient of the valve housing 2 to a temperature-related change in length within the temperature range. As the piezoelectric actuator 4 has a coefficient of thermal expansion, which is different from the thermal expansion coefficient of the valve housing 2 differs, there is a thermal incompatibility between these components. This incompatibility is caused by the compensation element 20 at least partially and preferably at least substantially balanced. Here, a coefficient of thermal expansion of the compensation element 20 specified larger than the thermal expansion coefficient of the valve housing 2 , Thus, during operation, a gap formation between the front side 18 of the valve element 14 and the front side 17 of the actor 4 be reduced.

Durch eine geeignete Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 4 mittels der Steuerung 11 wird ein gegebenenfalls auftretender, verbleibender Spalt ganz geschlossen. Somit wird eine Spaltbildung zwischen der Stirnseite 18 des Ventilelements 14 und der Stirnseite 17 des Aktors 4 vermieden. Dies bedeutet, dass in der Wirkverbindung zwischen dem Aktor 4 und dem Ventilelement 14 eine Spaltbildung 14 verhindert ist.By a suitable control of the piezoelectric actuator 4 by means of the controller 11 if any remaining gap is completely closed. Thus, a gap formation between the front side 18 of the valve element 14 and the front side 17 of the actor 4 avoided. This means that in the operative connection between the actuator 4 and the valve element 14 a gap formation 14 is prevented.

Der piezoelektrische Aktor 4 weist ein Sensorelement 22 auf, das eine piezokeramische Schicht 23 und an die piezokeramische Schicht 23 angrenzende Elektrodenschichten 24, 25 umfasst. Hierbei sind die Elektrodenschichten 24, 25 auf geeignete Weise mit elektrischen Messleitungen 26, 27 verbunden. Die elektrischen Messleitungen 26, 27 verbinden das Sensorelement 22 mit der Steuerung 11. Das Sensorelement 22 ist hierdurch in vorteilhafter Weise in den piezoelektrischen Aktor 4 integriert. Hierbei dient eine keramische Schicht 23 des Aktors 4 für das Sensorelement 22. Die bei einer Kompression des piezoelektrischen Materials der keramischen Schicht 23 auftretende Ladungsdifferenz an den Elektrodenschichten 24, 25 kann von dem Sensorelement 22 erfasst und von der Steuerung 11 ausgewertet werden. Hierbei können zur Realisierung des Sensorelements 22 auch mehrere keramische Schichten und mehrere Elektrodenschichten, die an diese keramischen Schichten angrenzen oder zwischen diesen keramischen Schichten angeordnet sind, dienen. Somit dient das Sensorelement 22 zum Erfassen einer mechanischen Spannung, die in diesem Ausführungsbeispiel in der keramischen Schicht 23 wirkt. Diese mechanische Spannung in der keramischen Schicht 23 ist ein Maß für die mechanische Spannung, die in der Wirkverbindung zwischen dem Aktur 4 und dem Ventilelement 14 auftritt. Tritt beispielsweise ein Spalt zwischen dem Aktur 4 und dem Ventilelement 14 auf, dann verschwindet die mechanische Spannung in der keramischen Schicht 23, so dass ein verschwindendes Messsignal ausgegeben wird. Allerdings kann, wie es in der 1 dargestellt ist, ein Federelement 30 vorgesehen sein, das den piezoelektrischen Aktur 4 mit einer Vorspannung beaufschlagt. Das von dem Sensorelement 22 erfasste Messsignal ist in diesem Fall entsprechend zu korrigieren, um festzustellen, ob in der Wirkverbindung zwischen dem Aktur 4 und dem Ventilelement 14 eine mechanische Spannung wirkt oder ob diese verschwindet.The piezoelectric actuator 4 has a sensor element 22 on, that is a piezoceramic layer 23 and to the piezoceramic layer 23 adjacent electrode layers 24 . 25 includes. Here are the electrode layers 24 . 25 in a suitable way with electrical test leads 26 . 27 connected. The electrical test leads 26 . 27 connect the sensor element 22 with the controller 11 , The sensor element 22 is thereby advantageously in the piezoelectric actuator 4 integrated. Here, a ceramic layer is used 23 of the actor 4 for the sensor element 22 , The at a compression of the piezoelectric material of the ceramic layer 23 occurring charge difference at the electrode layers 24 . 25 can from the sensor element 22 captured and from the controller 11 be evaluated. In this case, for the realization of the sensor element 22 Also, a plurality of ceramic layers and a plurality of electrode layers, which adjoin these ceramic layers or are arranged between these ceramic layers serve. Thus, the sensor element is used 22 for detecting a mechanical stress, in this embodiment in the ceramic layer 23 acts. This mechanical stress in the ceramic layer 23 is a measure of the mechanical stress involved in the operative connection between the aktur 4 and the valve element 14 occurs. For example, if there is a gap between the aktur 4 and the valve element 14 on, then the mechanical stress disappears in the ceramic layer 23 , so that a vanishing measurement signal is output. However, as it is in the 1 shown is a spring element 30 be provided that the piezoelectric Aktur 4 subjected to a bias voltage. That of the sensor element 22 detected measurement signal in this case is to be corrected accordingly to determine whether in the operative connection between the aktur 4 and the valve element 14 a mechanical tension acts or whether it disappears.

Die Elektrodenschichten 24, 25 sind in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit den Außenelektrodenanbindungen 7, 8 verbunden. Möglich ist es allerdings, dass beispielsweise die Elektrodenschicht 25 mit der Außenelektrodenanbindung 8 verbunden ist, die dann auf Masse liegen, und dass die Elektrodenschicht 24 von der Außenelektrodenanbindung 7 getrennt ist, so dass die Elektrodenschicht 24 als Phase dient. Somit kann eine der Messleitungen 26, 27 eingespart werden, so dass sich die Gesamtleiterzahl diesbezüglich auf drei Leitungen reduziert.The electrode layers 24 . 25 are not in this embodiment with the external electrode connections 7 . 8th connected. It is possible, however, that, for example, the electrode layer 25 with the external electrode connection 8th connected, which are then grounded, and that the electrode layer 24 from the external electrode connection 7 is separated, so that the electrode layer 24 serves as a phase. Thus, one of the test leads 26 . 27 be saved, so that the total number of conductors reduced in this regard on three lines.

Die Steuerung 11 steuert den Aktur 4 so an, dass stets eine nicht verschwindende mechanische Spannung in der Wirkverbindung zwischen dem Aktur 4 und dem Ventilelement 14 besteht. Speziell kann eine miminale Anpresskraft vorgegeben sein. Hierbei wird der Aktur 4 so angesteuert, dass der Aktur 4 über die Wirkverbindung zwischen dem Aktur 4 und dem Ventilelement 14 stets mit einer Anpresskraft auf das Ventilelement 14 einwirkt, die die vorgegebene minimale Anpresskraft nicht unterschreitet.The control 11 controls the aktur 4 so that there is always a non-vanishing mechanical tension in the operative connection between the Aktur 4 and the valve element 14 consists. Specifically, a minimal contact force can be predetermined. This is the Aktur 4 so driven that the Aktur 4 about the operative connection between the Aktur 4 and the valve element 14 always with a contact pressure on the valve element 14 acts, which does not fall below the predetermined minimum contact force.

Solch eine minimale Anpresskraft ist vorzugsweise so vorgegeben, dass bei dieser keine Betätigung des Ventilschließkörpers 15 erfolgt. Der Ventilschließkörper 15 kann hierbei auf geeignete Weise beaufschlagt sein, um diesen an der Ventilsitzfläche 16 zu halten. Dies kann durch ein Federelement und/oder den Druck des Brennstoffs im Brennstoffraum 12 ermöglicht werden.Such a minimum contact pressure is preferably predetermined so that no actuation of the valve closing body 15 he follows. The valve closing body 15 can be acted upon in a suitable manner to this at the valve seat surface 16 to keep. This can be done by a spring element and / or the pressure of the fuel in the fuel chamber 12 be enabled.

Zur Betätigung des Ventilelements 14 wird der Aktur 4 so angesteuert, dass eine Betätigungskraft des Aktors 4 auf das Ventilelement 14 erzeugt ist, die größer als die vorgegebene minimale Anpresskraft ist. Hierdurch kommt es zur Betätigung des Ventilelements 14, wobei sich der Ventilschließkörper 15 von der Ventilsitzfläche 16 abhebt und der Dichtsitz geöffnet wird. Hierdurch kommt es zum Einspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 12 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine oder, je nach Anwendungsfall, in einen anderen Raum.For actuating the valve element 14 becomes the Aktur 4 so controlled that an actuating force of the actuator 4 on the valve element 14 is generated, which is greater than the predetermined minimum contact force. This leads to the actuation of the valve element 14 , wherein the valve closing body 15 from the valve seat surface 16 takes off and the sealing seat is opened. This results in the injection of fuel from the fuel chamber 12 in a combustion chamber of an internal combustion engine or, depending on the application, in another room.

Somit kann in vorteilhafter Weise auf einen hydraulischen Koppler zur Vermeidung einer Spaltbildung zwischen dem Aktor 4 und dem Ventilelement 14 verzichtet werden. Dies wird durch die Kombination des Ausgleichselements 20 mit einer geeigneten Ansteuerung des Aktors 4 erzielt. Hierbei steht der von dem Aktor 4 konstruktionsbedingt aufbringbare Hub in vorteilhafter Weise zur Betätigung des Ventilelements 14 zur Verfügung. Speziell kann der maximale Hub des Aktors 4 zumindest weitgehend zur Betätigung des Ventilschließkörpers 15 dienen.Thus, in an advantageous manner to a hydraulic coupler to avoid a gap formation between the actuator 4 and the valve element 14 be waived. This is done by combining the compensation element 20 with a suitable control of the actuator 4 achieved. Here is the one of the actuator 4 Design-applied lift in an advantageous manner for actuating the valve element 14 to disposal. Specifically, the maximum stroke of the actuator 4 at least largely for actuating the valve closing body 15 serve.

Hierbei kann auch die Anzahl der Komponenten und somit die Komplexität des Einspritzventils 1 reduziert werden.This may include the number of components and thus the complexity of the injector 1 be reduced.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Ausgleichselements 20 kann so bestimmt sein, dass die Summe der Wärmeausdehnungen des piezoelektrischen Aktors 4 und des Ausgleichselements 20 gerade gleich der relevanten Wärmeausdehnung des Ventilgehäuses 2 ist. Verbleibende Toleranzen können über eine Variation der Anpresskraft ausgeglichen werden. Diese Anpresskraft kann in vorteilhafer Weise durch das Sensorelement 22 erfasst werden.The thermal expansion coefficient of the compensating element 20 can be determined so that the sum of the thermal expansions of the piezoelectric actuator 4 and the compensating element 20 just equal to the relevant thermal expansion of the valve body 2 is. Remaining tolerances can be compensated by varying the contact pressure. This contact force can in vorteilhafer manner by the sensor element 22 be recorded.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10162250 A1 [0002, 0003]

Claims

Injection valve ( 1 ), in particular injector for fuel injection systems, with a valve housing ( 2 ), one in the valve housing ( 2 ) arranged piezoelectric actuator ( 4 ) and a valve element ( 14 ), by the actor ( 4 ), whereby the actuator ( 4 ) via at least one compensation element ( 20 ) on the valve housing ( 2 ), wherein a thermal expansion coefficient of the compensating element ( 20 ) and a thermal expansion coefficient of the valve housing ( 2 ) are predetermined so that thermal changes in length in an operative connection between the actuator ( 4 ) and the valve element ( 14 ) are reduced, and wherein a non-vanishing mechanical stress in the operative connection between the actuator ( 4 ) and the valve element ( 14 ) is given.

Injection valve according to claim 1, characterized in that the actuator ( 4 ) from a controller ( 11 ) is controllable and that the controller ( 11 ) is configured, the actuator ( 4 ) to achieve the non-zero mechanical stress.

Injection valve according to claim 1 or 2, characterized in that the actuator ( 4 ) via the operative connection between the actuator ( 4 ) and the valve element ( 14 ) with a contact force on the valve element ( 14 ), which does not fall below a predetermined minimum contact force.

Injection valve according to claim 3, characterized in that for actuating the valve element ( 14 ) an actuating force of the actuator ( 4 ) on the valve element ( 14 ), which is greater than the predetermined minimum contact force is required.

Injection valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the actuator ( 4 ) over the compensation element ( 20 ) fixed to the valve housing ( 2 ) is supported.

Injection valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermal expansion coefficient of the compensating element ( 20 ) is greater than the thermal expansion coefficient of the valve housing ( 2 ).

Injection valve according to one of claims 1 to 6, characterized in that the valve element ( 14 ) a valve closing body ( 15 ), which is provided with a valve seat surface ( 16 ) interacts with a sealing seat and that the actuator ( 4 ) the valve closing body ( 15 ) switches directly.

Injection valve according to one of claims 1 to 7, characterized in that the actuator ( 4 ) a sensor element ( 22 ), which is for detecting the mechanical stress in the operative connection between the actuator ( 4 ) and the valve element ( 14 ) serves.

Injection valve according to claim 8, characterized in that the sensor element ( 22 ) at least one piezoceramic layer ( 23 ) and to the piezoceramic layer ( 23 ) adjacent electrode layers ( 24 . 25 ) having.