DE10319599A1

DE10319599A1 - Aktoreinheit für ein piezogesteuertes Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10319599A1
Application number: DE10319599A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Schoor; Dieter Kienzler; Friedrich Boecking; Dietmar Uhlmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2004-11-18

Abstract

Es wird eine Aktoreinheit, welche zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen geeignet ist, vorgeschlagen. Die Aktoreinheit besteht aus einem piezoelektrischen Aktor 1 und einem als Feder ausgebildeten Hohlkörper 4. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Hohlkörpers 4 kann die Lebensdauer der Aktoreinheit verbessert werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit bestehend aus einem piezoelektrischen Aktor. Solche Aktoreinheiten werden unter anderem bei Kraftstoffeinspritzsystemen und insbesondere in Kraftstoffeinspritzventilen eingesetzt, da die Schaltzeiten solcher Aktoreinheiten sehr kurz sind. Die kurzen Schaltzeiten erlauben einer exaktere Bemessung der eingespritzten Kraftstoffmenge und ermöglichen eine verbesserte Formung des zeitlichen Verlaufs der Einspritzung. Unter dem Sammelbegriff "Kraftstoffeinspritzventil" werden im Zusammenhang mit der Erfindung sämtliche Bauarten von Kraftstoffeinspritzventil, wie zum Beispiel Injektoren für Common-Rail-Einspritzsysteme oder Einspritzdüsen konventioneller Kraftstoffeinspritzanlagen verstanden.
Betätigt wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit Piezo-Aktor dadurch, dass der piezoelektrische Aktor mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, wodurch sich der piezoelektrische Aktor aufgrund bekannter physikalischer Effekte der Piezokeramik schnell ausdehnt und ein Ventilschließglied von einem Ventilsitz abhebt. Der piezoelektrische Aktor hat eine gewisse Masse, die dabei beschleunigt wird. Wird die an den Aktor angelegte Spannung reduziert, hat der Aktor das Bestreben, sich zusammenzuziehen. Aufgrund der Massenträgheit der zuvor beschleunigten Masse des Aktors entstehen dadurch in Abhängigkeit der Ansteuergeschwindigkeit Zugkräfte im Aktor, die zu Beschädigungen des piezoelektrischen Aktors, insbesondere zu Rissen in den Lötverbindungen zwischen den einzelnen Schichten des piezoelektrischen Aktors, führen. Um derartige Beschädigungen zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, den piezoelektrischen Aktor mittels eines als Feder ausgebildeten zylindrischen Hohlkörpers in axialer Richtung vorzuspannen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der WO 00/08353 (Siemens) bekannt. Dieser Hohlkörper ist aus einem ebenen Blech gebogen und wird an der dabei entstehenden ersten Fuge verschweißt. Die erste Fuge verläuft dabei parallel zur Längsachse des Hohlkörpers.
Das Verschweißen der ersten Fuge hat unter anderem folgende Nachteile: Das Schweißen verursacht eine in der Regel unerwünschte Gefügeveränderung des Hohlkörpers in unmittelbarer Nähe der Schweißnaht. Ein zweites Problem sind die beim Schweißen entstehenden Schweißspritzer, welche Schwierigkeiten bei der Montage der Aktoreinheit mit sich bringen können oder sogar zu Funktionsausfällen des Kraftstoffeinspritzventils führen können, wenn sich während des Betriebs einer oder mehrere Schweißspritzer lösen. Ein drittes Problem ist das Einsinken der Schweißnaht (Nahteinfall) an Beginn und Ende der Schweißaht und die daraus resultierenden Kerbwirkung und Spannungsspitzen.
Vorteile der Erfindung
Bei einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit mit einem Hohlkörper und mit einem piezoelektrischen Aktor, wobei der Hohlkörper elastisch ausgebildet ist und den Aktor vorspannt, wobei der Hohlkörper mit Ausnehmungen versehen ist und eine durch zwei Kanten gebildete Fuge aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ein Steg vorhanden ist, und wobei der Hohlkörper ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die die Fuge begrenzenden Kanten formschlüssig miteinander verbunden sind. Dadurch wird die Schwächung des Hohlkörpers im Bereich der Fuge mindestens teilweise kompensiert, so dass trotz des Verzichts auf eine die Fuge verschließende Schweißnaht eine annähernd über den Umfang des Hohlkörpers konstante Federrate erreicht wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung können die Kanten durch mindestens eine Klammer formschlüssig miteinander verbunden werden. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass je nach Bedarf eine oder mehrere Klammern, die jede für sich einfach und sehr preiswert herstellbar sind, zur Verbindung der die Fuge begrenzenden Kanten eingesetzt werden kann. Auch sind keine Änderungen an den Stanzwerkzeugen, mit denen die Platine zur Herstellung des Hohlkörpers produziert wird, erforderlich.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die die Fuge begrenzenden Kanten mindestens einen Vorsprung und mindestens eine Vertiefung aufweisen, und dass der oder die Vorsprünge und der oder die Vertiefungen eine formschlüssige Verbindung der Kanten bewirken.
Der mindestens eine Vorsprung kann als Nase ausgeführt sein, die mit einer entsprechenden Vertiefung formschlüssig zusammenwirkt.
Verschiedene Varianten sehen vor, dass die mindestens eine Nase aus mehreren Geraden und/oder aus einer oder mehreren gekrümmten, insbesondere kreisförmigen Teilstücken, gebildet ist. Dadurch kann der Formschluss zwischen den beiden die Fuge begrenzenden Kanten so weit wie erforderlich ausgebildet werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Kanten treppenförmig ausgebildet sind und dass die mindestens eine Stufe in den Kanten eine Höhe h und eine Tiefe h hat.
Durch diese treppenförmige Ausgestaltung der Kanten wird eine "makroskopische" formschlüssige Verbindung zwischen den die Fuge begrenzenden Kanten, welche sich insbesondere zur Übertragung großer Kräfte in axialer Richtung des Hohlkörpers eignet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausnehmungen in mehreren parallel zueinander beabstandeten Ebenen verlaufen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine ungerade Zahl von Ebenen, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind, vorgesehen ist, da in diesem Fall das erste Ende und das zweite Ende des Hohlkörpers ein gleiches Federverhalten aufweisen. Auch diese Maßnahme verbessert das Verhalten des Hohlkörpers dahingehend, dass der Hohlkörper lediglich Federkräfte in axialer Richtung an seinen Stirnflächen auf den piezoelektrischer Aktor, einen Übersetzungskolben eines hydraulischen Kopplers oder andere Bauelemente des Injektors überträgt.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine gerade Zahl von Ausnehmungen in einer Ebene vorhanden ist, und wenn diese Ebene mit der Längsachse des Hohlkörpers einen rechten Winkel bildet. Diese Anordnung führt dazu, dass die Federrate über den Umfang des Hohlkörpers konstant ist und somit keine Querkräfte in den Aktor eingeleitet werden.
Es hat sich aus Gründen der Herstellung und der Dauerfestigkeit des Hohlkörpers als günstig erwiesen, wenn die Ausnehmungen knochenförmig ausgebildet sind und quer zu einer Längsachse des Hohlkörpers verlaufen.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen zweier benachbarter Ebenen zueinander versetzt angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Versatz der Ausnehmungen zweiter benachbarter Ebenen gleich dem halben Rapport der Ausnehmungen einer Ebene ist. Der Begriff "Rapport" wird weiter unten im Zusammenhang mit der 3 noch ausführlich erläutert werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Höhe h und die Tiefe t der treppenförmig ausgebildeten Kanten, welche die Fuge begrenzen, mit dem Abstand d der Ebenen, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind und dem Versatz, mit dem die Ausnehmungen zweier zueinander benachbart angeordneter Ebenen positioniert sind, korrelieren. Dabei können die Höhe h und die Tiefe t einfache oder ganzzahlige Vielfache des Versatzes oder des Abstandes d zweier zueinander benachbarter Ebenen sein.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Hohlkörper einen kreisrunden Querschnitt oder Querschnitt des Hohlkörpers die Form eines regelmäßigen Vielecks hat.
Um die Vorspannkraft von dem Hohlkörper auf den piezoelektrischen Aktor bestmöglich einleiten zu können, empfiehlt es sich, dass der Hohlkörper an seinem ersten Ende mit einer oberen Abdeckplatte oder einer Einstellscheibe und an seinem zweiten Ende mit einer unteren Abdeckplatte oder einem Kopplergehäuse verbunden ist. Diese Verbindungen können beispielsweise durch Schweißen oder Bördeln erfolgen.
Wenn nur eine radiale Fixierung des Hohlkörpers erforderlich ist, kann diese durch eine Ringnut oder einen Absatz in der oberen und/oder der unteren Abdeckplatte oder in der Einstellscheibe und dem Kopplergehäuse erfolgen.
Dies kann beispielsweise dann ausreichend sein, wenn der Hohlkörper nicht auf Zug, sondern auf Druck belastet wird. Besonders vorteilhaft an diesen Ausführungsvarianten ist, dass durch die Ringnut und durch den Absatz der Hohlkörper relativ zu dem piezoelektrischen Aktor oder zu dem hydraulischen Koppler zentriert wird. Dieser Effekt kann weiter verbessert werden, wenn Ringnut und Absatz so bemessen werden, dass sie den Hohlkörper bei der Montage geringfügig aufweiten.
Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass der Hohlkörper an seinem ersten Ende und/oder an seinem zweiten Ende einen nicht durch Ausnehmungen perforierten Bereich aufweist. Dadurch wird die vom Hohlkörper auf eine Abdeckplatte oder ein anderes Bauteil des Injektors übertragene Federkraft vergleichmäßigt, da der Hohlkörper im Bereich seiner Enden gezielt versteift wird. Dies bedeutet, dass sich die Maxima der Federkraft über den Umfang des Hohlkörpers verringern und die Problematik der von dem Hohlkörper in den Piezoaktor eingeleiteten Querkräfte weiter entschärft wird.
Der erfindungsgemäße Hohlkörper kann bei Aktoreinheiten eingesetzt werden, in denen der piezoelektrischer Aktor im Hohlkörper angeordnet ist und bei denen der piezoelektrischer Aktor durch den vorgespannten Hohlkörper auf Druck belastet wird. Dies bedeutet, dass der Hohlkörper selbst auf Zug belastet wird.
Der erfindungsgemäße Hohlkörper kann aber ebenfalls an Aktoreinheiten eingesetzt werden, bei denen der piezoelektrischer Aktor außerhalb des Hohlkörpers angeordnet ist und der piezoelektrischer Aktor durch den vorgespannten Hohlkörper auf Druck belastet wird. In diesem Fall wird der Hohlkörper in der Regel auf Druck belastet.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit,
3 ein Beispiel für eine Platine aus der ein Hohlkörper gebogen wird,
4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hohlkörpers in einer perspektivischen Darstellung,
5 ein aus einer Platine gemäß 2 gebogener Hohlkörper mit Klammern,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Platine aus der ein erfindungsgemäßer Hohlkörper gebogen wird,
7 bis 11: weitere Ausführungsbeispiel von Platinen aus der erfindungsgemäße Hohlkörper gebogen werden können und
12 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanlage.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit dargestellt. Die Aktoreinheit besteht aus einem piezoelektrischen Aktor 1, der aus mehreren übereinander gestapelten piezoelektrischen Einzelelementen (nicht dargestellt) aufgebaut sein kann. Der piezoelektrische Aktor 1 wird über Kontaktstifte 2 angesteuert, die längs des Aktors 1 angeordnet sind und mit dem Aktor 1 elektrisch leitend verbunden sind. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kontaktstiften 2 wird eine Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors 1 erzeugt, die beispielsweise zum Steuern eines Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Der piezoelektrische Aktor 1 mit den Kontaktstiften 2 ist in einem als Rohrfeder ausgebildeten Hohlkörper 4 angeordnet. Der piezoelektrische Aktor 1 liegt mit seinen Stirnflächen jeweils an einer Abdeckplatte 5, 6 an, wobei die obere Abdeckplatte 6 Durchführungen 61 aufweist, durch die sich die Kontaktstifte 2 erstrecken. Die obere und untere Abdeckplatte 5, 6 sind jeweils form- und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise durch Schweißen, mit dem Hohlkörper 4 verbunden. Die Schweißnähte zwischen der oberen und der unteren Abdeckplatte 5, 6 sowie des Hohlkörpers 4 sind in 1 nicht dargestellt. Alternativ kann die Verbindung zwischen dem Hohlkörper und den beiden Abdeckplatten 5, 6 zum Beispiel auch mit Hilfe einer Bördelung erfolgen, wobei die umgebördelten oberen und unteren Randbereiche des Hohlkörpers 4 jeweils in die Abdeckplatten 5, 6 eingreifen (nicht dargestellt).
Der piezoelektrische Aktor 1 wird durch den Hohlkörper 4 und die Abdeckplatten 5, 6 mit einer Vorspannkraft auf Druck beansprucht. D. h. der Hohlkörper 4 wird vor dem Verschweißen mit der oberen und unteren Abdeckplatte 5, 6 vorgespannt und dann verschweißt.
Der Hohlkörper 4 wird vorzugsweise aus Federstahl gefertigt. Um eine gewünschte Federrate bei vorgegebener Wandstärke "s" einstellen zu können, sind in den Hohlkörper 4 eine Vielzahl von Ausnehmungen 7 eingebracht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Ausnehmungen in 1 mit Bezugszeichen versehen worden. Da sich die vielen Ausnehmungen 7 am besten durch Stanzen herstellen lassen, wird der Hohlkörper 4 in der Regel aus Blech gefertigt. Aus dem Blech wird zunächst eine Platine mit den Ausnehmungen 7 ausgestanzt. Anschließend wird die Platine gebogen, bis sie beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines regelmäßigen Vielecks hat. Dort wo die beiden Enden der gebogenen Platine aufeinander treffen, entsteht eine erste Fuge (in 1 nicht dargestellt).
In 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit dargestellt, die in einen piezobetätigten Injektor 71 integriert ist.
Da die vorliegende Erfindung im Wesentlichen eine Aktoreinheit und einen dazugehörigen Hohlkörper 4 betrifft, wird der Injektor 71 nicht in allen Details erläutert, sondern im Wesentlichen nur die Anbindung der Aktoreinheit an den Injektor 71 beschrieben. Die übrigen Funktionalitäten des Injektors 71 sind einem Fachmann auf dem Gebiet der Einspritztechnik ohnehin bekannt und bedürfen deshalb keiner näheren Erläuterung.
Der Injektor 71 hat einen Hochdruckanschluss 73. Über den Hochdruckanschluss 73 wird der Injektor 71 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff (nicht dargestellt) versorgt. Wenn eine Einspritzung in den nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine erfolgen soll, hebt eine Düsennadel 75 von ihrem nicht dargestellten Sitz ab und gibt ebenfalls nicht dargestellte Spritzlöcher frei. Gesteuert wird die Düsennadel 75 über ein Steuerventil 77, welches über einen piezoelektrischen Aktor 79 betätigt wird. Zwischen dem piezoelektrischer Aktor 79 und dem Steuerventil 77 ist ein hydraulischer Koppler 81 angeordnet, welcher auf der rechten Seite von 1 vergrößert dargestellt ist.
Der hydraulische Koppler 81 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilkolben 83 und einem Übersetzerkolben 85, die in einem Kopplergehäuse 86 geführt werden. Zwischen dem Ventilkolben 83 und dem Übersetzerkolben 85 ist ein Kopplerspalt 87 vorhanden, welcher mit Kraftstoff (nicht dargestellt) gefüllt ist. Dieser Kopplerspalt 87 ist unter anderem deswegen notwendig, weil sich die Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors 79 und der metallischen Bauteile des Injektors 71 stark unterscheiden.
Mit seinem Ventilkolben 83 betätigt der hydraulische Koppler 81 das Steuerventil 77, während der Übersetzerkolben 85 mit einem Vorsprung 89 an den piezoelektrischer Aktor 79 anliegt. Der Übersetzerkolben 85 wird über einen erfindungsgemäßen Hohlkörper 4, welcher auf Druck vorgespannt ist, gegen den piezoelektrischer Aktor 79 gepresst, so dass dieser mit einer Druckvorspannung beaufschlagt wird. Dabei stützt sich der Hohlkörper mit seinem ersten Ende 15 gegen einen Absatz 91 des Kopplergehäuses 86 ab. Mit seinem zweiten Ende 17 stützt sich der Hohlkörper 4 gegen eine Einstellscheibe 93 ab. Über die Einstellscheibe 93 wird die Federkraft des Hohlkörpers 4 auf den Vorsprung 89 des Übersetzerkolbens 85 und damit auf den piezoelektrischen Aktor 79 übertragen.
Damit der Hohlkörper 4 konzentrisch zum hydraulischen Koppler 81 und damit auch konzentrisch zum piezoelektrischen Aktor 79 angeordnet ist, ist der Durchmesser D₁ des Absatzes 91 so auf den Innendurchmesser des Hohlkörpers 4 abgestimmt, dass der Hohlkörper 4 leicht aufgeweitet wird, wenn er auf den Absatz 91 aufgeschoben wird. Da der erfindungsgemäße Hohlkörper 4 eine sich über die gesamte Länge des Hohlkörpers 4 erstreckende erste Fuge 31 (nicht dargestellt) aufweist, lässt sich der Hohlkörper 4 relativ leicht so weit auf weiten, dass er auf den Absatz 91 passt.
Wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1, der Hohlkörper 4 mit einer Druckvorspannung beaufschlagt wird, genügt es, wenn dieser sich an seinen Enden 17 und 15 in axialer Richtung abstützen kann, wie dies in 2 dargestellt ist. Um die radiale Fixierung des Hohlkörper 4 weiter zu verbessern, kann in dem Absatz 91 und/oder in der Einstellscheibe 93 alternativ oder zusätzlich eine Ringnut (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
In 3 ist eine Platine 9 dargestellt, aus der ein erfindungsgemäßer Hohlkörper 4 gewickelt werden kann. In der Platine 9 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 7 ausgestanzt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Ausnehmungen 7, die bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine knochenförmige Form haben, mit Bezugszeichen versehen. Die Platine 9 ist rechteckig, wobei zwei einander gegenüberliegende Kanten 11 und 13 der Platine 9 von den Ausnehmungen 7 unterbrochen werden, während die einander gegenüberliegenden Kanten 15 und 17 gerade verlaufen und nicht von den Ausnehmungen 7 unterbrochen werden.
Die Platine 9 wird so zu einem zylindrischen oder vieleckigen Hohlkörper gewickelt, dass die Kanten 15 und 17 das erste Ende 15 und das zweite Ende 17 des Hohlkörpers 4 bilden (siehe 4) bilden. Das heißt, die in 4 dargestellte Längsachse 35 des Hohlkörpers 4 verläuft parallel zu den Kanten 11 und 13.
Wenn die Platine 9 in der oben genannten Weise zu einem Zylinder oder einem Vieleck gebogen wurde, berühren sich die Kanten 11 und 13 und bilden eine erste Fuge 31 (siehe 4 und 5), die parallel zur Längsachse 35 des Hohlkörpers 4 verläuft.
In der Platine 9 sind immer mehrere Ausnehmungen 7 in einer Reihe hintereinander angeordnet. Sie werden durch Stege 19 zwischen den Ausnehmungen getrennt. Auch bei den Stegen 19 wurde darauf verzichtet, alle Stege der Platine 9 mit Bezugszeichen zu versehen, um die Übersichtlichkeit nicht zu beeinträchtigen. Wenn die Platine 9 zu einem Hohlkörper in der zuvor beschriebenen Weise gebogen wird, liegen die hintereinander angeordneten Ausnehmungen 7 in einer Ebene. Beispielhaft ist in 3 eine Reihe von Ausnehmungen 7, die hintereinander angeordnet sind, durch eine Linie 20 gekennzeichnet. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Platine 9 sind 16 Reihen von sechs Ausnehmungen 7 zwischen der Kante 15 und der Kante 17 angeordnet.
Wie aus 3 ersichtlich, sind die Ausnehmungen 7 zweier benachbarter Reihen versetzt zueinander angeordnet. Dabei ist der Versatz so gewählt, dass er der halben Länge einer Ausnehmung 7 und eines Stegs 19 entspricht. Dieses Maß ist in der 3 exemplarisch für eine Ausnehmung und zwei halbe Stege 19 durch den Doppelpfeil 21 angedeutet. Dieses Maß wird auch als "Rapport" bezeichnet. Der Versatz zwischen den Ausnehmungen 7 zweier benachbarter Reihen von Ausnehmungen ist in 3 mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet.
Wenn man die Platine 9 zu einem Hohlkörper 4 (siehe 4 oder 5) aufrollt und diesen Hohlkörper 4 an seinen Stirnseiten über eine obere Abdeckplatte 5 (siehe 1) und eine untere Abdeckplatte 6 (siehe 1) mit einer Druckkraft beaufschlagt, dann hat die zwischen oberer Abdeckplatte 5 und der Kante 15 wirkende Kraft F über den Umfang des Hohlkörpers 4 den durch die Linie 25 qualitativ dargestellten Verlauf. Der Umfangs-Winkel φ beginnt an der Kante 13 mit 0° und endet an der Kante 11 mit 360°.
Es zeigt sich, dass immer dort, wo ein Steg 19 die Kante 15" abstützt", eine große Kraft F, angedeutet durch die Maxima 27 der Linie 25, übertragen werden kann. Die einzige Ausnahme existiert dort, wo die Kanten 11 und 13 aneinander stoßen. Dort schwächt die "durchgeschnittene" Ausnehmung 7 mit ihren Teilen 7' und 7'' die Struktur der Platine 9, so dass die an dieser Stelle zwischen oberer Abdeckplatte 5 und Hohlkörper 4 übertragene Kraft F geringer ist. Dieser Sachverhalt ist in 3 durch den im Vergleich mit den Maxima 27 deutlich geringeren Wert für die Kraft F, bei φ = 0° und bei φ = 360° dargestellt.
Ähnlich verhält es sich an der Kante 17. Wie aus 3 ersichtlich, befindet sich in unmittelbarer Nähe der Kante 17 bei φ = 0° und 360° eine angeschnittene Ausnehmung, bestehend aus den Teilen 7' und 7'', während sich in unmittelbarer Nähe der Kante 15 bei φ = 0° und 360° ein aufgetrennter Steg 19 mit den Hälften 19' und 19" befindet. Daraus ergibt sich ein etwas anderer Kräfteverlauf über den Umfang der Kante 17.
Es gibt dort, wie aus dem unteren F-φ-Diagramm in 3 ersichtlich, vier Maxima 27 und zwei weitere lokale Maxima 29 in der Nähe der Kante 11 und 13 bei den Winkeln φ = 30° und 330°, die deutlich kleiner als die Maxima 27 sind.
Wegen dieser über den Umfang ungleichen Kraftübertragung zwischen oberer Abdeckplatte 6 und der Kante 15 einerseits sowie der unteren Abdeckplatte 5 und der Kante 17 andererseits wird ein auf die obere Abdeckplatte 6 und die untere Abdeckplatte 5 wirkendes Biegemoment von dem Hohlkörper 4 erzeugt, wenn der Hohlkörper 4 mit einer Vorspannung an der oberen und der unteren Abdeckplatte 6, 5 befestigt wird. Dieses Biegemoment wird naturgemäß auch auf den piezoelektrischen Aktor 1 übertragen, was sich ungünstig auf dessen Betriebssicherheit und Lebensdauer auswirkt. Außerdem ist dieses Biegemoment auch an den von der Aktoreinheit betätigten hydraulischen Ventilgliedern nicht erwünscht.
In 4 ist ein Hohlkörper 4, der aus einer in 3 dargestellten Platine 9 hergestellt wurde, perspektivisch dargestellt. Die Reihen von Ausnehmungen 7, die in 4 nicht einzeln bezeichnet sind, bilden 16 Ebenen E₁ bis E₁ ₆, welche senkrecht zur Längsachse 35 des Hohlkörpers 4 verlaufen. Andeutungsweise ist in 4 zur Veranschaulichung eine Ebene E₂ dargestellt. Ebenso ist in 4 die Wandstärke s des Hohlkörpers 4 eingezeichnet.
Um die Nachteile eines entlang der Fuge 31 verschweißten Hohlkörpers 4, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, zu vermeiden, sind die Ausnehmungen 7 entlang der Fuge 31 durch Klammern 37 miteinander verbunden. Die Klammern 37 verhindern das Absinken der Federrate im Bereich der Fuge 31 ganz oder mindestens teilweise. Außerdem wird durch die Klammern 37 sichergestellt, dass an dem ersten Ende 17 und dem zweiten Ende 15 des Hohlkörpers 4 im Bereich der Fuge 31 kein Absatz (nicht dargestellt), entsteht, wenn die Platine 9 nicht genau parallel zu den Kanten 17 und 15 (siehe 3) gebogen wird.
Die Klammern 37 bestehen vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Hohlkörper 4 und werden durch einen einfachen Umformprozess mit den Ausnehmungen 7 verbunden.
Im unteren Teil der 4 ist eine Ansicht von oben auf den Hohlkörper 4 im Bereich der Fuge 31 dargestellt. Aus dieser Darstellung ist die Form der Klammern 37 erkennbar. Es ist weiter erkennbar, dass die Klammern von innen durch die Ausnehmungen 7 hindurch gesteckt werden und anschließend so umgebogen werden, dass sie die in 4 dargestellte Form haben.
In 4 sind nur 5 Klammern 37 eingezeichnet, obwohl bis zu 8 Klammern 37 entlang der Fuge 31 angebracht werden können. Dies wurde getan, um die Übersichtlichkeit der Darstellung nicht zu beeinträchtigen. Es ist jedoch klar, dass beispielsweise auch nur zwei Klammern 37 ausreichen können, um die Schwächung der Federrate im Bereich der Fuge zu kompensieren. In diesem Fall würde man je eine Klammer in unmittelbarer Nähe des ersten Endes 17 und des zweiten Endes 15 des Hohlkörpers 4 anbringen. Bei Bedarf können aber auch noch zusätzliche Klammern 37 vorgesehen werden.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Platine 9 dargestellt aus der ein erfindungsgemäßer Hohlkörper gewickelt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kanten 11 und 13 Vorsprünge und Vertiefungen auf. Dabei sind die Vorsprünge und Vertiefungen so ausgebildet, dass die Kante 13 einen treppenförmigen Verlauf hat. Der Verlauf der Kante 11 ist so gewählt, dass sich die Platine 9 zu einem zylindrischen Hohlkörper 4 biegen lässt, wobei die von den Kanten 11 und 13 gebildete Fuge 31 ebenfalls einen treppenförmigen Verlauf hat. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind sechs Treppenstufen, die mit 1b bis 6b bezeichnet sind an der Kante 13 ausgebildet. Die entsprechenden Vertiefungen an der Kante 11 sind in 5 mit 1a bis 2a bezeichnet. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung des Verlaufs der Kanten 11 und 13 werden u.a. zwei positive Effekte erzielt:
Erstens wird die Fuge 31 (nicht dargestellt in 5) gleichmäßig über den umfang des Hohlkörpers verteilt, so dass die Federrate des Hohlkörpers über den gesamten Unfang konstant ist. Infolgedessen wird der von dem Hohlkörper 4 mit einer Vorspannkraft beaufschlagte Piezoaktor 1, 79 (siehe 1 und 2) nur mit einer Kraft in axialer Richtung, nicht aber mit einer Kraft in radialer Richtung oder mit einem Biegemoment beaufschlagt.
Zweitens ist durch die Gestaltung der Kanten 11 und 13 gewährleistet, dass an den Kanten 15 und 17 im Bereich der Fuge 31 (siehe 4) kein Absatz (nicht dargestellt) entstehen kann, welcher ebenfalls zu einer ungleichmäßigen Krafteinleitung der Vorspannkraft des Hohlkörpers 4 in piezoelektrischen Aktor 1 führt.
Im unteren Bereich von 5 ist ein Ausschnitt A aus der ersten Treppe 1a und 1b vergrößert dargestellt. Aus dieser vergrößerten Darstellung wird deutlich, dass in diesem Bereich die Kanten 11 und 13 parallel zu den Kanten 15 und 17 verlaufen. Anhand der 5 ist auch deutlich erkennbar, dass bei diesem Ausführungsbeispiel eine Tiefe t der Treppen 1b bis 6b gleich dem Rapport 21 der Ausnehmungen 7 (siehe 3) ist. Des Weiteren wird aus 5 deutlich, dass eine Höhe h der Treppen dem zweifachen Abstand d zwischen zwei benachbarten Reihen von Ausnehmungen 7 entspricht.
In 6 sind weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Platinen 9 dargestellt. Die "makroskopische" Struktur der Platine 9 in 6 entspricht der makroksopischen Struktur der in 5 dargestellten und erläuterten Platine 9. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass dort, wo die Kanten 11 und 13 nicht senkrecht zu den Kanten 17 und 15 verlaufen, die Kante 13 an jeder Treppe 1b bis 6b zwei erste Nasen 39 und eine dazwischen angeordnete erste Vertiefung 41 aufweist. Entsprechend sind an den markoskopischen Vertiefungen 1a bis 6a der Kante 11 je zwei kleine Vertiefungen 43 und eine dazwischen befindliche zweite Nase 45 vorhanden. In den Ausschnitten A der 6 ist die mikroskopische Gestaltung der Kanten 11 und 13 im Bereich der Treppen 1b bis 6b und der Vertiefungen 1a bis 6a deutlich zu erkennen.
Alternativ zu den in der den Ausschnitten A dargestellten Gestaltung der Kanten 11 und 13 können die Kanten 11 und 13 auch kreisförmig ausgeführt sein. Diese Ausführungsvariante ist in 6 in dem Ausschnitt B dargestellt.
Im Ausschnitt C ist ein eckiger Verlauf der Kanten 11 im Bereich der Stege 19 dargestellt. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese beispielhaft dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die in 6 beispielhaft dargestellten Ausführungsformen verbessern den Formschluss, welcher makroskopisch durch die Treppen 1b bis 6b und die zugehörigen Vertiefungen 1a bis 6a hergestellt wird, lokal weiter, so dass die Kraftübertragung in axialer Richtung und in tangentialer Richtung des aus einer Platine 9 gewickelten Hohlkörpers weiter verbessert wird.
Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Platine 9 sind nur drei Treppen als 1b bis 3b vorhanden. Dementsprechend gibt es auch nur drei Vertiefungen 1a bis 3a, welche in ihren Abmessungen den drei genannten Treppen entsprechen. Die drei Treppen 1b, 2b und 3b unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Tiefe t und ihrer Höhe h. Die Tiefe t trägt bei der Treppe 1b 2,5mal dem Rapport 21 (siehe 3), während die Höhe h dem dreifachen Abstand d zweier benachbarter Ebenen und Ausnehmungen 7 entspricht. Bei der Treppe 2b ist die Tiefe t gleich dem Rapport 21. Bei der Treppe 3b ist die Tiefe t gleich dem 2,5fachen des Rapports 21. Entsprechendes gilt für die Vertiefungen 1a, 2a und 3a. Die Kontaktzonen zwischen den Kanten 11 und 13 können dort, wo sie nicht senkrecht zu den Kanten 15 verlaufen, so gestaltet sein, wie zuvor anhand der Ausschnitte A, B und C der 5 und 6 im Detail erläutert.
Es ist grundsätzlich möglich, die anhand der Ausschnitte A, B, C der 5 und 6 erläuterten "mikroskopischen" Gestaltung der Kontaktzone zwischen den Kanten und 13 auf alle in den 5 bis 11 dargestellten Platinen 9 zu übertragen.
Bei der in 8 dargestellten Platine 9 ist lediglich eine Treppe 1b an der Kante 13, sowie eine entsprechende Vertiefung 1a an der Kante 11 vorhanden.
Bei dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Platine gemäß 9 ist an der Kante 13 eine Treppe 1b und eine Vertiefung 2b vorhanden. Entsprechend gibt es an der Kante 11 eine Vertiefung 1a und eine Treppe 2a. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass ein möglicher Versatz im Bereich der Fuge 31 (siehe 4) im Bereich der Kanten 15 und 17 in beide Richtungen wirkungsvoll durch die Treppen 1b und 2a sowie die Vertiefungen 2b und 1a unterbunden wird.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Platine 9 dargestellt, bei dem die Kanten 11 und 13 jeweils zwei Vertiefungen 2b, 4b, 1a, 2, und zwei Treppen 1b, 3b, 2a, 4a aufweisen. Dadurch wird eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 noch bessere Verzahnung der Kanten 11 und 13 erreicht.
Ein ähnliches Ausführungsbeispiel zeigt auch 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die Kanten 11 und 13 ebenfalls jeweils zwei Treppen und zwei Vertiefungen auf, wobei die Größe der Treppen beziehungsweise Vertiefungen gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 sehr viel kleiner sind. Die Festlegung der Größe, insbesondere der Höhe und Tiefe der Treppen kann von einem Fachmann für jeden Anwendungsfall individuell getroffen werden. Aus den der Beschreibung der 5 bis 11 geht jedoch ohne weiteres hervor, dass eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten der Kanten 11 und 13 vorhanden ist, sei es im "makroskopischen" oder im "mikroskopischen" (siehe die Ausschnitte A, B, C der 5 und 6) gegeben sind, so dass die erfindungsgemäßen Hohlkörper 4 trotz des Verzichts auf ein Verschweißen der Kanten 11 und 13 die gewünschten mechanischen Eigenschaften haben und in vielfältiger Weise an verschiedene Einsatzbedingungen adaptierbar sind, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Anhand der 12 wird nachfolgend erläutert, wie das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil 116 in eine Kraftstoffeinspritzanlage 102 einer Brennkraftmaschine integriert ist. Die Kraftstoffeinspritzanlage 102 umfasst einen Kraftstoffbehälter 104, aus dem Kraftstoff 106 durch eine elektrische oder mechanische Kraftstoffpumpe 108 gefördert wird. Über eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 wird der Kraftstoff 106 zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gefördert. Von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gelangt der Kraftstoff 106 über eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 zu einem Common-Rail 114. An dem Common-Rail sind mehrere Kraftstoffeinspritzventile 116 angeschlossen, die den Kraftstoff 106 direkt in Brennräume 118 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine einspritzen.
Es versteht sich von selbst, dass jedes der in der Beschreibung, den Zeichnungen oder den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale einzeln oder in Kombination mit anderen Merkmalen erfindungswesentlich sein kann.

Claims

Aktoreinheit mit einem Hohlkörper (4) und mit einem piezoelektrischen Aktor (1), wobei der Hohlkörper (4) elastisch ausgebildet ist und den Aktor (1) vorspannt, wobei der Hohlkörper (4) mit Ausnehmungen versehen ist und eine durch zwei Kanten (11, 13) gebildete Fuge (31) aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen (7, 7a, 7b)) ein Steg (19) vorhanden ist, und wobei der Hohlkörper (4) ein erstes Ende (17) und ein zweites Ende (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fuge (31) begrenzenden Kanten (11, 13) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Aktoreinheit mit einem Hohlkörper (4) und mit einem piezoelektrischen Aktor (1), wobei der Hohlkörper (4) elastisch ausgebildet ist und den Aktor (1) vorspannt, wobei der Hohlkörper (4) mit Ausnehmungen versehen ist und eine durch zwei Kanten (11, 13) gebildete Fuge (31) aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen (7, 7a, 7b)) ein Steg (19) vorhanden ist, und wobei der Hohlkörper (4) ein erstes Ende (17) und ein zweites Ende (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die die Fuge (31) begrenzenden Kanten (11, 13) über mindestens zwei Umfangspositionen (1a bis 6a; 1b bis 6b) verteilt sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) durch mindestens eine Klammer (37) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) mindestens einen Vorsprung und mindestens eine Vertiefung aufweisen, und dass der oder die Vorsprünge und der oder die Vertiefungen eine formschlüssige Verbindung der Kanten (11, 13) bewirken.
Aktoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Vorsprung als Nase (39, 45) ausgeführt ist, und dass die mindestens eine Vertiefung (41, 43) mit der mindestens einen Nase (39, 45) formschlüssig zusammenwirkt.
Aktoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Nase (39, 45) aus mehreren geraden und/oder aus einer oder mehreren gekrümmten, insbesondere kreisförmigen, Teilstücken gebildet wird.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) treppenförmig ausgebildet sind, und dass die mindestens eine Stufe (1b bis 6b und 1a bis 6a) in den Kanten (11, 13) eine Höhe (h) und eine Tiefe (t) hat.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) in mehreren Ebenen (E_i) angeordnet sind, und dass die Ebenen (E_i) parallel mit einem Abstand (d) zueinander verlaufen.
Aktoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Zahl (i mit z. B. i = 11, 13, 15 oder 17) von Ebenen (E_i), in denen die Ausnehmungen (7) angeordnet sind, vorgesehen ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungen (7) in einer Ebene (E₂) hintereinander angeordnet sind, und dass die Ebene (E₂) mit der Längsachse (35) des Hohlkörpers (4) einen rechten Winkel bildet.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Zahl von Ausnehmungen (7) in einer Ebene (E₂) vorhanden ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) knochenförmig ausgebildet sind und quer zu einer Längsachse (35) des Hohlkörpers (4) verlaufen.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) zweier benachbarter Ebenen (E₁) zueinander versetzt (23) angeordnet sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (23) der Ausnehmungen (7) zweier benachbarter Ebenen gleich dem halben Rapport (21) der Ausnehmungen (7) einer Ebene (E₁) ist.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) der mindestens einen Stufe (1b, 1a) dem Abstand (d) oder einem ganzzahligen Vielfachen des Abstands (d) zweier benachbarter Ebenen (E_i, E_i+1) entspricht.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) der mindestens einen Stufe (1b, 1a) einem Rapport (21) oder einem ganzzahligen Vielfachen des Rapports (21) der Ausnehmungen (7) entspricht.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) einen kreisrunden Querschnitt hat.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Hohlkörpers (4) die Form eines regelmäßigen Vielecks hat.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem ersten Ende (17) radial fixiert wird.
Aktoreinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem ersten Ende (17) radial in der oberen Abdeckplatte (6) oder eine Einstellscheibe (93), insbesondere durch eine Ringnut (39), fixiert wird.
Aktoreinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) mit seinem ersten Ende (17) durch Schweissen (41) an der oberen Abdeckplatte (6) befestigt ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem zweiten Ende (15) radial fixiert wird.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem zweiten Ende (15) mit einer unteren Abdeckplatte (5) oder einem Kopplergehäuse (86) verbunden ist.
Aktoreinheit nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) mit seinem zweiten Ende (15) durch Schweissen (41) an der unteren Abdeckplatte (5) oder dem Kopplergehäuse (86) befestigt ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem ersten Ende (17) und/oder an seinem zweiten Ende (15) einen nicht durch Ausnehmungen (7, 7a, 7b) perforierten Bereich aufweist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (1) in dem Hohlkörper (4) angeordnet ist, und dass der piezoelektrische Aktor (1) durch den vorgespannten Hohlkörper (4) auf Druck belastet wird.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (1) außerhalb des Hohlkörpers (4) angeordnet ist, und dass der piezoelektrische Aktor (1) durch den vorgespannten Hohlkörper (4) auf Druck belastet wird.