DE102015219568B4

DE102015219568B4 - Aktuator mit Ventileinheit für piezoservobetriebenen Injektor

Info

Publication number: DE102015219568B4
Application number: DE102015219568.6A
Authority: DE
Inventors: Vincent Dian
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: EP3359800A1; DE102015219568A1; WO2017060163A1; EP3359800B1

Abstract

Es wird ein Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor beschrieben. Der Aktuator besitzt ein Außengehäuse mit einer Bodenplatte sowie einem durch die Bodenplatte bewegbaren Aktuatorgehäuse, in dem ein Piezoelement angeordnet ist. Durch Auslängung des Piezoelementes wird das Aktuatorgehäuse bewegt und hebt dabei über eine Kraftübertragungseinrichtung ein Ventilelement von einem Ventilsitz ab. Das Ventilelement wird daher beim Öffnen in Richtung des anstehenden Drucks bewegt. Hierdurch wird eine bessere Steuerung des Ventils als beim Stand der Technik erreicht, da nicht gegen den anstehenden Druck gearbeitet werden muss.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor.
Ein solcher Aktuator mit Ventileinheit ist bekannt. Bei einem standardmäßigen piezoservobetriebenen Injektor wird ein Ventil gegen den vorhandenen Druck beaufschlagt. Die Tatsache, dass das Piezoelement gegen diesen Druck arbeitet, führt zu einem „digitalen” Öffnen des Ventils. Sobald das Ventil geöffnet ist, nimmt der Druck hinter dem Ventil ab, so dass auch die auf das Piezoelement ausgeübte Kraft abnimmt. Hierdurch öffnet sich das Ventil weiter und nimmt der Druck weiter ab. Hierbei ist jedoch jede Ventilposition unstabil bzw. unbeständig, so dass es schwierig wird, das Ventil in einem kleinen Ventilverschiebungsbereich zu steuern (hierbei handelt es sich um ein Schlüsselmerkmal zur Realisierung einer dynamischen Leckage ohne Durchführung von Einspritzungen). Dieser Effekt ist abhängig vom Druck. Bei einem kleinen Druck ist der Effekt gering, bei einem hohen Druck ist er groß.
Aufgrund dieser Tatsache ist ein standardmäßiger piezobetriebener Injektor nicht in der Lage, einen Druckabfall im gesamten Druckbereich zu steuern. Diese Funktion muss von einer anderen Komponente ausgeführt werden.
Im Stand der Technik hat man hierzu ein spezielles Drucksteuerventil verwendet. Auch wurde ein Druckbegrenzungsventil in Kombination mit einer dynamischen Leckage ohne Einspritzung eingesetzt, jedoch nicht im gesamten Druckbereich. Bei einer derartigen Kombination muss die Pumpe die permanente Leckage auch während Einspritzungen kompensieren, was jedoch zu einem nicht optimierten Kraftstoffverbrauch führt.
Hierzu sind beispielsweise aus dem Stand der Technik die DE 10 2005 016 461 A1 und die DE 199 01 711 A1 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor zur Verfügung zu stellen, der besonders einfach ausgebildet ist und dabei eine effektive Funktionsweise aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor gelöst, der die folgenden Komponenten umfasst:
Ein einen Innenraum bildendes Außengehäuse,
eine sich durch den Innenraum des Außengehäuses erstreckende und hiermit verbundene feste Bodenplatte,
ein sich durch die Bodenplatte erstreckendes bewegliches Aktuatorgehäuse innerhalb des Außengehäuses,
ein zwischen der festen Bodenplatte und einer Kopfplatte des beweglichen Aktuatorgehäuses angeordnetes Piezoelement,
ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes bewegliches Ventilelement,
eine Kraftübertragungseinrichtung zwischen Aktuatorgehäuse und beweglichem Ventilelement,
ein das Aktuatorgehäuse in Richtung auf das Ventilelement vorspannendes erstes Vorspannungselement und
ein die Kraftübertragungseinrichtung in Richtung auf das Ventilelement vorspannendes zweites Vorspannungselement,
wobei durch eine Längenvergrößerung des Piezoelementes das Aktuatorgehäuse gegen das erste Vorspannungselement und dadurch die Kraftübertragungseinrichtung gegen das zweite Vorspannungselement zum Abheben des Ventilelementes vom Ventilsitz bewegbar ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, eine Ventileinheit so zu steuern, dass sie mit dem Druck und nicht mehr gegen den Druck arbeitet, wobei diese Steuerung von einem Piezoaktuator durchgeführt wird. Die erfindungsgemäß erreichte Umkehrung der Verschiebung des Ventilelementes wird durch das Gehäuse des Piezoelementes erreicht, das bei einer Längenvergrößerung des Piezoelementes die Kraftübertragungseinrichtung gegen das zweite Vorspannungselement so bewegt, dass das Ventilelement in Richtung des anstehenden Druckes vom Ventilsitz abgehoben wird. Dabei stützt sich das Piezoelement auf der fest installierten Bodenplatte und der Kopfplatte des beweglichen Aktuatorgehäuses ab, so dass bei einer Auslängung des Piezoelementes eine entsprechende Bewegung des Aktuatorgehäuses initiiert wird. Das Aktuatorgehäuse erstreckt sich dabei durch die feste Bodenplatte hindurch.
Mit einer derartigen Ausgestaltung öffnet sich die Ventileinheit und damit der Injektor von selbst, wenn der Druck im System zu stark ansteigt. Auf diese Weise kann ein Druckbegrenzungsventil vermieden werden. Diese Ventilposition ist stabil und ermöglicht eine Druckverringerung durch Erzeugung einer dynamischen Leckage ohne Einspritzung. Ein Drucksteuerventil wird nicht benötigt.
Das erste Vorspannungselement, das das Aktuatorgehäuse entgegen der Ventilöffnungsrichtung beaufschlagt, befindet sich bei dieser Ausführungsform außerhalb des Aktuatorgehäuses, wodurch insgesamt die Konstruktion des Aktuators vereinfach wird.
Erfindungsgemäß wird somit eine einfache und effiziente Lösung vorgeschlagen, bei der die Ventileinheit mit dem Druck arbeitet. Es werden die Vorteile eines typischen Solenoidventiles (Robustheit, Stabilität) mit den Vorteilen eines typischen Piezoaktuators kombiniert. Auf diese Weise kann ein Einspritzsystem ohne Druckbegrenzungsventil oder Drucksteuerventil konzipiert werden.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Aktuatorgehäuse am der Ventileinheit zugewandten Ende eine Öffnung auf, durch die sich die Kraftübertragungseinrichtung erstreckt und die Innenwandung des Aktuatorgehäuses hintergreift. Dabei umfasst die Kraftübertragungseinrichtung vorzugsweise einen Ventilkolben, wobei dieser Ventilkolben bei einer speziellen Ausführungsform einen mit der Innenwandung des Aktuatorgehäuses zusammenwirkenden Endflansch besitzt.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird bei einer Auslängung des Piezoelementes das Aktuatorgehäuse von der Ventileinheit wegbewegt und bewegt dabei den sich durch seine Öffnung erstreckenden Ventilkolben gegen das zweite Vorspannungselement, so dass das Ventilelement durch den anstehenden Druck öffnen kann. Umgekehrt wird bei einer Kontraktion des Ventilelementes das Aktuatorgehäuse in Richtung auf die Ventileinheit bewegt, wodurch der Ventilkolben aufgrund der Kraft des zweiten Vorspannungselementes das Ventilelement wieder gegen seinen Sitz pressen kann, um die Ventileinheit zu schließen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Bodenplatte, durch die sich das Aktuatorgehäuse erstreckt, ist vorzugsweise durch mehrere Schweißpunkte am Außengehäuse des Aktuators fixiert. Dies erfolgt zweckmäßigerweise über Ansätze der Bodenplatte, so dass zwischen Bodenplatte und Außengehäuse Schlitze gebildet sind, durch die sich das Aktuatorgehäuse erstreckt und seine durch das Piezoelement initiierte Bewegung durchführen kann. Vorzugsweise sind das Außengehäuse und das darin angeordnete Aktuatorgehäuse zylindrisch ausgebildet, so dass die Schlitze als Rundschlitze ausgestaltet sind. Dabei kann die Bodenplatte vorzugsweise über zwei oder vier Ansätze durch Schweißpunkte am Außengehäuse fixiert sein, zwischen denen jeweils ein Schlitz ausgebildet ist.
Bei einer anderen Lösung der Erfindung umfasst die Kraftübertragungseinrichtung eine Hebeleinrichtung, um eine entsprechende Beaufschlagung des Ventilelementes zu ermöglichen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor; und
2 einen Horizontalschnitt durch den Aktuator mit einer Draufsicht auf die vorgesehene Bodenplatte.
Der in 1 im Längsschnitt dargestellte Aktuator mit Ventileinheit besitzt ein Außengehäuse 1, das einen Innenraum bildet, in dem ein Aktuatorgehäuse 2 auf- und abbeweglich angeordnet ist. In das Außengehäuse 1 ist eine Bodenplatte 4 eingeschweißt, wie durch die Schweißstellen 5 angedeutet ist. Der in 2 dargestellte Horizontalschnitt zeigt die Bodenplatte 4 in der Draufsicht, die über zwei Ansätze 12 über die Schweißstellen 5 mit der Innenwand des Außengehäuses 1 verschweißt ist. Zwischen den beiden Ansätzen 12 sind zwei halbrunde Schlitze 13 in der Bodenplatte 4 ausgebildet, durch die sich die Wandung des zylindrisch ausgebildeten Aktuatorgehäuses 2 erstreckt. Das Aktuatorgehäuse 2 kann sich somit durch die Schlitze 13 der Bodenplatte 4 auf- und abbewegen.
Das Aktuatorgehäuse 2 ist an seinem von der Ventileinheit abgewandten Ende geschlossen und weist dort eine Kopfplatte 14 auf. Am gegenüberliegenden Ende besitzt das Aktuatorgehäuse 2 eine zentrale Öffnung 6, durch die sich ein Ventilkolben 7 erstreckt, der einen im Inneren des Aktuatorgehäuses 2 angeordneten Endflansch 15 aufweist. Der Endflansch 15 hintergreift den benachbart zur Öffnung 6 angeordneten Wandungsbereich des Aktuatorgehäuses 2.
Der Ventilkolben 7 wirkt mit einem Ventilelement 8 zusammen, das mit einem Ventilsitz 9 kooperiert. Das Ventilelement 8 öffnet und schließt einen Kanal 16, über den Kraftstoff einer Einspritzdüse zugeführt wird.
Zwischen der Kopfplatte 14 des Aktuatorgehäuses 2 und der fest installierten Bodenplatte 4 ist ein Piezoelement 3 angeordnet. Ein erstes Vorspannungselement 11 in der Form einer Feder drückt das Aktuatorgehäuse 2 in 1 nach unten, und ein zweites Vorspannungselement 10 ist zwischen dem Ventilkolben 7 und der Bodenplatte 4 angeordnet und drückt den Ventilkolben 7 in der Figur nach unten gegen das Ventilelement 8 und dieses damit gegen den Ventilsitz 9, um den Kanal 16 zu schließen.
Der Aktuator funktioniert in der folgenden Weise:
Wenn das Piezoelement 3 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, vergrößert sich seine Länge, wodurch das Aktuatorgehäuse 2 gegen das Vorspannungselement 11 in der Figur nach oben bewegt wird. Hierdurch wird der Ventilkolben 7 gegen das Vorspannungselement 10 ebenfalls nach oben bewegt, wodurch das Ventilelement 8 vom Ventilsitz 9 abgehoben und der Kanal 16 geöffnet wird. Die Ventileinheit arbeitet somit mit dem im Kanal 16 anstehenden Druck und nicht gegen denselben, wenn das Ventil geöffnet wird.
Bei einem Schließen des Ventils wird die Spannungsbeaufschlagung des Piezoelementes 3 gestoppt. Es folgt dann eine Kontraktion desselben, wodurch das Aktuatorgehäuse 2 in der Figur abwärts bewegt wird. Der Ventilkolben 7 wird dadurch vom Vorspannungselement 10 nach unten gegen das Ventilelement 8 gedrückt, so dass dieses gegen den Ventilsitz 9 gepresst und der Kanal 16 geschlossen wird.
Das Öffnen der Ventileinheit erfolgt somit in Richtung des anstehenden Drucks mithilfe des Aktuators. Der als Kraftübertragungseinrichtung dienende Ventilkolben 7 wird vom Aktuatorgehäuse 2 betätigt, und zwar in Druckrichtung, wie vorstehend erwähnt.

Claims

Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor mit einem einen Innenraum bildenden Außengehäuse (1), einer sich durch den Innenraum des Außengehäuses (1) erstreckenden und hiermit verbundenen festen Bodenplatte (4), einem sich durch die Bodenplatte (4) erstreckenden beweglichen Aktuatorgehäuse (2) innerhalb des Außengehäuses (1), einem zwischen der festen Bodenplatte (4) und einer Kopfplatte (14) des beweglichen Aktuatorgehäuses (2) angeordneten Piezoelement (3), einem mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkenden beweglichen Ventilelement (8), einer Kraftübertragungseinrichtung zwischen Aktuatorgehäuse (2) und beweglichem Ventilelement (8), einem das Aktuatorgehäuse (2) in Richtung auf das Ventilelement (8) vorspannenden ersten Vorspannungselement (11) und einem die Kraftübertragungseinrichtung in Richtung auf das Ventilelement (8) vorspannenden zweiten Vorspannungselement (10), wobei durch eine Längenvergrößerung des Piezoelementes (3) das Aktuatorgehäuse (2) gegen das erste Vorspannungselement (11) und dadurch die Kraftübertragungseinrichtung gegen das zweite Vorspannungselement (10) zum Abheben des Ventilelementes (8) vom Ventilsitz (9) bewegbar ist.
Aktuator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorgehäuse (2) am der Ventileinheit zugewandten Ende eine Öffnung (6) aufweist, durch die sich die Kraftübertragungseinrichtung erstreckt und die Innenwandung des Aktuatorgehäuses (2) hintergreift.
Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung einen Ventilkolben (7) umfasst.
Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (7) einen mit der Innenwandung des Aktuatorgehäuses (2) zusammenwirkenden Endflansch (15) besitzt.
Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Vorspannungselement (10) zwischen Bodenplatte (4) und Endflansch (15) des Ventilkolbens (7) angeordnet ist.
Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) über Ansätze (12) am Außengehäuse (1) fixiert ist, so dass zwischen Bodenplatte (4) und Außengehäuse (1) Schlitze (13) gebildet sind, durch die sich das Aktuatorgehäuse (2) erstreckt.
Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung eine Hebeleinrichtung umfasst.