DE19858085C1 - Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor - Google Patents

Abstract

Ein Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor weist einen piezoelektrischen Aktor 2 mit einer Bodenplatte 24 und einem auf der Bodenplatte umlaufenden Aufsatz 241 und einem mit der Bodenplatte in Wirkverbindung stehenden Servoventil 3 auf, wobei eine bewegliche Membran 6 zwischen der Bodenplatte des Aktors und der Innenwandung des Injektorgehäuses angeordnet ist, die an den umlaufenden Aufsatz der Bodenplatte anstößt und von einem Niederhalter 7 an der Bodenplatte gehalten wird, wobei die Membran von einer Außenkante 72 des Niederhalters beabstandet an der Bodenplatte festgeschweißt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für einen Kraft­ stoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein sol­ cher Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor ist aus der GB 21 93 386 A bekannt.

Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden zunehmend Einspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr ho­ hen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindigkeiten gearbeitet wird. Der Einspritzvorgang wird dabei mit Hilfe eines Kraftstoffinjektors vorgenommen, bei dem ein elektrisch angesteuerter Aktor ein Einspritzventil betätigt. Um ausrei­ chend schnelle Schaltzeiten zu erzielen, hat sich vor allem der Einsatz piezoelektrischer Aktoren als vorteilhaft erwie­ sen. Der Kraftstoffinjektor ist dabei im allgemeinen so aus­ gelegt, daß die im piezoelektrischen Aktor hervorgerufene Längenänderung auf ein Servoventil übertragen wird, das wie­ derum das Einspritzventil öffnet oder schließt. Damit die im µm-Bereich liegende Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors das Servoventil betätigen kann, wird diese Längsdehnung ent­ weder mechanisch durch einen im Kraftstoff gelagerten Hebe­ lübersetzer oder hydraulisch durch einen Öldruckraum ver­ stärkt.

In der GB 21 93 386 A ist ein Kraftstoffinjektor mit einem piezoelektrischen Aktor und einem Servoventil gezeigt, bei dem die Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors über einen mit Öl gefüllten Druckraum auf einen Servoventilkolben über­ tragen wird. Um den Druckraum dabei dicht zu halten und ins­ besondere auch den hochempfindlichen piezoelektrischen Aktor gegen eine Ölleckage, die Kurzschlüsse hervorrufen könnte, zu schützen, wird in der GB 21 93 386 A vorgeschlagen, zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Injektorgehäuse in Rich­ tung der Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors einen Fal­ tenbalg anzuordnen, der den Öldruckraum zwischen dem piezo­ elektrischen Aktor und dem Servoventilkolben abgrenzt und den Aktor vor einer Ölleckage schützt. Diese Ausführungsform zeichnet sich jedoch durch einen hohen Platzbedarf aufgrund der senkrechten Anordnung des Federbalgs aus. Weiterhin führt der Federbalg zu einer ungewünschten Dämpfung der Aktorbewe­ gung.

Alternativ zu einem Federbalg ist deshalb in der GB 21 93 386 A eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs für den Kraftstoffinjektor dargestellt, bei dem der Aktorboden mit einer Federstahlmembran eingefaßt ist, die den Öldruckraum vom piezoelektrischen Aktor trennt. Die Federstahlmembran ist weiterhin am Injektorgehäuse durch eine Schraubanordnung ge­ sichert. Der Vorteil der Federstahlmembran ist ein geringer Raumbedarf verbunden mit einer hohen Elastizität in bezug auf die Aktorlängsdehnung. Bei der in der GB 21 93 386 A gewähl­ ten Membrananordnung ist die Federstahlmembran mit dem sich in den Öldruckraum erstreckenden Aktorboden seitlich fest verschweißt. Aufgrund der sehr kurzen Schaltzeiten des piezo­ elektrischen Aktors und der daraus resultierenden starken Be­ anspruchung der Schweißnaht beim Auslenken der Federstahlmem­ bran kann diese Schweißnaht aufgehen, so daß eine Ölleckage und somit eine Beschädigung des piezoelektrischen Aktors auf­ tritt. Weiterhin ist auch die Schraubverbindung der Feder­ stahlmembran mit dem Injektorgehäuse aufwendig zu fertigen.

Aus DE 40 05 455 A1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, die ein piezoelektrisches Betäti­ gungsglied für die Ventilnadel aufweist. Zwischen dem Betäti­ gungsglied und der Ventilnadel ist eine Federmembran 3 einge­ bracht, die umlaufend dicht mit dem Ventilgehäuse verbunden ist. Die Membran ist in der Mitte zwischen dem Betätigungs­ glied und der Ventilnadel eingeklemmt. Die Federmembran dich­ tet das piezoelektrische Betätigungsglied gegen Kraftstoff ab und dient zugleich als Rückstellfeder für die Ventilnadel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, bei dem ein Ak­ tor durch eine Membran zuverlässig vor Leckage geschützt ist, und die Membran sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet.

Diese Aufgabe wird, von einem Stellantrieb für einen Kraft­ stoffinjektor gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieser Stellantrieb weist einen Aktor mit einer Bodenplatte auf, wobei die Mem­ bran von einem Niederhalter an einer Bodenfläche der Boden­ platte gehalten wird und die Membran von einer Außenkante des Niederhalters beabstandet an der Bodenfläche festgeschweißt ist. Durch diese erfindungsgemäße Befestigung der Membran wird der Biegebereich der Membran bei der Auslenkung durch die Aktorbewegung von der Schweißnaht, mit der die Membran an der Bodenplatte befestigt ist, getrennt, so daß die Beanspru­ chung der Schweißnaht wesentlich verringert und ihre Haltbar­ keit entscheidend verbessert wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprü­ chen angegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Querschnitt durch einen erfindungs­ gemäßen Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors sowie ein ver­ größerter Ausschnitt dieses Stellantriebs dargestellt.

Ein Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors setzt sich im we­ sentlichen aus einem Injektorkopfgehäuse 1 mit einer stufen­ artig ausgebildeten Innenbohrung 11, einem piezoelektrischen Aktor 2 und einem Servoventil 3 zusammen. Der piezo­ elektrische Aktor 2 ist dabei aus mehreren übereinandergesta­ pelten piezoelektrischen Einzelelementen 21 aufgebaut, die in einem als Rohrfeder ausgebildeten Hohlkörper 22 angeordnet sind. Dieser Hohlkörper 22 ist form- und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise durch Anschweißen, jeweils mit einer Kopfplatte 23 und einer Bodenplatte 24 verbunden, die die aufeinanderge­ stapelten piezoelektrischen Aktorelemente 21 mit einer defi­ nierten Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorspannen.

Zum Ansteuern der piezoelektrischen Einzelelemente 21 sind längs dieser Elemente Kontaktstifte (nicht gezeigt) angeord­ net, die mit den Einzelelementen 21 leitend in Verbindung stehen und aus der Kopfplatte 23 hervorstehen. Diese Kontakt­ stifte werden in einem auf den Aktor aufgesetzten Aktoran­ schluß 4 mit einer Spannung belegt, die eine Längsdehnung beim piezoelektrischen Aktor 2 bewirkt. Der als Rohrfeder ausgebildete Hohlkörper 22 gewährleistet aufgrund seiner Ela­ stizität, daß die im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung von diesem Hohlkörper mitvollzogen wird.

Der piezoelektrische Aktor 2 ist weiter von einem Aktorgehäu­ se 25 eingefaßt, das am oberen Ende der stufig ausgebildeten Innenbohrung 11 im Injektorkopfgehäuse 1 fest eingespannt ist. Hierbei wird das Aktorgehäuse 25 mit seiner Stirnfläche 251 auf eine ringförmig umlaufende Auflagescheibe 51 ge­ drückt, die wiederum mit einer ringförmig umlaufenden Ein­ stellscheibe 52 gegen einen Absatz 111 in der Innenbohrung 11 abgestützt ist. Das Aktorgehäuse 25 wird dabei von einer Hohlschraube 12 festgehalten, die mit einer Druckringnut 121 an einem um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 26 an­ greift und mit dem Injektorkopfgehäuse 1 verschraubt ist.

Die Bodenplatte 24 steht mit einem mittig angeordneten, vor­ zugsweise kreisrunden Aufsatz 241 über die Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 hinaus. Um diesen Aufsatz 241 herum ist, wie insbesondere die vergrößerte Detailansicht zeigt, eine dünne, scheibenförmige Membran 6 angeordnet, die sich längs der Bodenfläche 242 der Bodenplatte 24 von der Umfangswandung des Aufsatzes 241 bis zur Innenwandung des Injektorkopfgehäu­ ses 1 erstreckt.

Die scheibenförmige Membran 6 ist weiterhin mit ihrem Außen­ bereich zwischen der Auflagescheibe 51 und der Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 angeordnet. Zusätzlich kann die Mem­ bran 6 in ihrem Außenbereich durch eine ringförmig umlaufende Schweißnaht 10, die vorzugsweise als Keilschweißnaht ausge­ bildet ist, an der Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 fest­ gehalten werden, wobei die Schweißnaht 10 von einer Innenkan­ te 511 der Auflagescheibe 51 beabstandet angeordnet ist. Nach dem Einsetzen der Auflagescheibe 51, der Membran 6 und des piezoelektrischen Aktors 2 in die Innenbohrung 11 des Injek­ torkopfgehäuses 1 wird die Membran 6 durch den von der Hohl­ schraube 12 auf das Aktorgehäuse 25 ausgeübten Anpressdruck mit ihrem Außenbereich zwischen der Auflagescheibe 51 und der Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 festeingeklemmt. Diese Klemmung sorgt zusammen mit der Schweißnaht 10 für eine zu­ verlässig Abdichtung des piezoelektrischen Aktors nach außen.

Die Elektrostriktion im piezoelektrischen Aktor 2 bewirkt ei­ ne Längsdehnung des Aktors, bei der die Bodenplatte 24 des Aktors in die Innenbohrung 11 des Injektorkopfgehäuses 1 vor­ geschoben wird. Hierbei wird die Membran 6 ausgelenkt, wobei eine äußere Biegelinie der Membran 6 durch die Innenkante 511 der Auflagescheibe 51 festgelegt ist. Dadurch, daß die Schweißnaht 10 von dieser Innenkante 511 der Auflagescheibe 51 und damit der äußeren Biegelinie der Membran 6 versetzt angeordnet ist, wird die Beanspruchung der Schweißnaht 10 we­ sentlich reduziert, so daß ihre Haltbarkeit entscheidend ver­ bessert wird.

Um zu verhindern, daß die Membran 6 bei der durch den piezo­ elektrischen Aktor 2 hervorgerufenen Auslenkung an der Innen­ kante 511 der Auflagescheibe 51 beschädigt wird, ist diese Innenkante 511 abgerundet. Die Abrundung der Innenkante 511 der Auflagescheibe 51 sorgt darüber hinaus für ein optimier­ tes Abrollen der Membran 6 entlang der Auflagescheibe 51.

Die Membran 6 wird weiterhin auf der Bodenfläche 242 der Bo­ denplatte 24 um den Aufsatz 241 herum durch einen ringförmi­ gen Niederhalter 7 festgehalten. Der ringförmige Niederhal­ ter 7 besitzt einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt mit einem Flachring 71 und einem an einer abgerundeten Außen­ kante 72 des Flachrings angesetzten Aufsatz 73, wobei der am Aufsatz 241 der Bodenplatte 24 des Aktors 2 anliegende Be­ reich der Membran 6 zwischen dem Flachring 71 und der Boden­ platte 24 eingeklemmt wird. Wie die Detailansicht weiter zeigt, wird die Membran 6 mit einer umlaufenden Schweißnaht 9 an der Bodenfläche 242 der Bodenplatte unterhalb des Flach­ rings 71 von dessen Außenkante 72 beabstandet festgehalten. Zur Vereinfachung der Fertigung wird hierbei die Membran 6 vorzugsweise durch den Flachring 71 hindurch an der Bodenflä­ che 242 festgeschweißt, wobei der Niederhalter 7 während des Schweißvorgangs am Aufsatz 73 festgehalten und gegen die Bo­ denfläche 242 gedrückt wird.

Wie bereits erläutert, bewirkt die durch Elektrostriktion im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung, daß die Bodenplatte 24 des Aktors 2 in die Innenbohrung 11 des Injektorkopfgehäuses 1 vorgeschoben wird, wobei sich die Mem­ bran 6 ausbiegt. Eine innere Biegelinie der Membran 6 wird bei der Auslenkung von der Außenkante 72 des Flachelements 71 begrenzt, wobei die Schweißnaht 9 von dieser inneren Biegeli­ nie abgesetzt ist. Diese Ausgestaltung verringert die Bean­ spruchung der Schweißnaht 9 wesentlich und trägt somit zu ei­ ner verbesserten Haltbarkeit entscheidend bei.

Um zu verhindern, daß bei der Auslenkung der Membran 6 die Membran an einer Außenkante 244 der Bodenplatte 24 beschädigt wird, ist diese Außenkante 244 abgerundet. Der abgerundete Bereich der Bodenfläche 242 der Bodenplatte 24 erstreckt sich dabei vorzugsweise von der Außenkante 244 der Bodenplatte 24 bis zur der Außenkante 72 des Niederhalters 7. Dieser abge­ rundete Bereich der Bodenfläche 242 der Bodenplatte 24 sorgt weiterhin für eine optimierte Verteilung der von der Boden­ fläche 242 auf die Membran 6 ausgeübten Auslenkkräfte und da­ mit für eine schonende Belastung der Membran.

Die Membran 6 wird vorzugsweise aus Federstahl gefertigt, das sich durch einen hohen Festigkeitskennwert auszeichnet. Fe­ derstahl gewährleistet weiterhin eine ausreichende Elastizi­ tät, so daß die Membran 6 die durch Elektrostriktion im pie­ zoelektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung fast ohne Widerstand nachvollzieht.

Die durch Elektrostriktion erzeugte Längsdehnung des piezo­ elektrischen Aktors 2 wird von einem Hebelübersetzer 8 auf das Servoventil 3 übertragen und verstärkt, wobei der Hebe­ lübersetzer 8 zwischen dem Aufsatz 241 der Bodenplatte 24 und einem Ventilkolben 31 des Servoventils 3 eingespannt und mit einem Schenkel auf einer in der Innenbohrung 11 des Injektor­ kopfgehäuses 1 angeordneten Auflagescheibe 53 abgestützt ist. Bei der Hebelbewegung wird der Hebelübersetzer 8 durch die Einstellscheibe 52 geführt, wobei die Form der Einstellschei­ be 52 so angepaßt ist, daß sie die Bewegung der Bodenplatte 242 mit dem Aufsatz 241 und dem um den Aufsatz umlaufenden Niederhalter 7 beim Eindringen in die Innenbohrung 11 des In­ jektorkopfgehäuses 1 nicht behindert.

Die vom piezoelektrischen Aktor 2 mittels des Hebelüberset­ zers 8 auf den Ventilkolben 31 des Servoventils 3 übertragene Bewegung wird dann im Kraftstoffinjektor zum Öffnen und Schließen eines Einspritzventils (nicht gezeigt) genutzt. Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors dringt der unter Druck stehende Kraftstoff bis zur Membran 6 unter dem piezoelektri­ schen Aktor 2 vor. Durch die erfindungsgemäße Befestigung der Membran 6 am Aktor 2, bei der die Schweißnähte 9, 10 zum Festhalten und Abdichten von der inneren und der äußeren Bie­ gelinien der Membran 6 abgesetzt sind, wird die Beanspruchung dieser Schweißnähte wesentlich verringert, so daß der piezo­ elektrische Aktor 2 zuverlässig vor einer Leckage von Kraft­ stoff in das Aktorgehäuse 25 geschützt wird.

Claims (8)

1. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor umfassend
ein Gehäuse (1) mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt,
einem im ersten Abschnitt angeordneten Aktor (2) mit einer Bodenplatte (24),
einen im zweiten Abschnitt angeordneten Servoventil (3),
wobei zwischen der Bodenplatte des Aktors und dem Servoventil eine Wirkverbindung (8) besteht, um eine Längsbewegung des Aktors im ersten Abschnitt des Gehäuses auf das Servoventil im zweiten Abschnitt des Gehäuses zu übertragen, und
eine bewegliche Membran (6), die zwischen der Bodenplatte des Aktors und der Innenwandung des Gehäuses angeordnet und zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Gehäuses festgehalten ist, um den ersten Abschnitt mit dem Aktor von dem zweiten Abschnitt mit dem Servoventil dicht abzutrennen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederhalter (7) die Membran (6) an der Bodenfläche (242) der Bodenplatte (24) des Aktors (2) hält und die Membran (6) von einer Außenkante (72) des Niederhalters beabstandet an der Bodenfläche (242) festgeschweißt ist.

2. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, wobei die Bodenplatte (24) des Aktors (2) auf der Boden­ fläche (242) einen umlaufenden Aufsatz (241) aufweist, um den herum der Niederhalter (7) angeordnet ist.

3. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran (6) durch den Niederhalter (7) hindurch an der Bodenfläche (242) der Bodenplatte (24) des Aktors (2) festgeschweißt ist.

4. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bodenfläche (242) von der Außenkante (72) des Niederhalters (7) bis zur einer Außenkan­ te (244) der Bodenplatte (24) des Aktors (2) abgerundet ist.

5. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, wobei die Außenkante (244) der Bodenplatte (24) des Aktors (2) abgerundet ist.

6. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Niederhalter (7) einen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt mit einem Flachring (71) und einem angesetzten Aufsatz (73) aufweist.

7. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Gehäuses (1) eine Auflagescheibe (51) angeordnet ist, die die Membran (6) an einer Stirnfläche (251) des Aktorgehäuses (25) klemmt, wobei eine Innenkante (511) der Auflagescheibe abgerundet ist.

8. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 7, wobei die Membran (6) an der Stirnfläche (251) des Aktor­ gehäuses (25) von der Innenkante (511) der Auflagescheibe (51) beabstandet festgeschweißt ist.