DE19909539C2 - Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Stellantrieb ist aus der US 4 101 076 A bekannt.

In der US 4 101 076 A wird ein Kraftstoffinjektor be­ schrieben, der einen piezoelektrischen Aktor aufweist, der mit Hilfe eines mechanischen Übertragungselements eine Düsen­ nadel im Kraftstoffinjektor ansteuert. Das Übertragungsele­ ment weist dabei zwei unterschiedlich lange Hebelarme auf, die im rechten Winkel miteinander verbunden sind, wobei das Übertragungselement in diesem Winkelbereich am Gehäuse des Kraftstoffinjektors abgestützt ist. Der kürzere Hebelarm des Übertragungselements liegt auf dem piezoelektrischen Aktor an, wobei eine am Gehäuse des Kraftstoffinjektors abgestützte Rückstellfeder für einen ständigen Kontakt sorgt. Der längere Hebelarm des Übertragungselements steht in Verbindung mit der Rückseite dar Düsennadel, wobei eine um die Düsennadel ange­ ordnete Rückstellfeder die Düsennadel am Hebelarm hält. Bei einer Auslenkung des piezoelektrischen Aktors wird das Über­ tragungselement um einen Drehpunkt an seinem auf dem Gehäuse des Kraftstoffinjektors aufliegenden Winkelbereich gedreht, so daß der längere Hebelarm nach oben von der Rückseite der Düsennadel wegbewegt wird. Gleichzeitig wird aber durch die Kraft der Rückstellfeder die Düsennadel nachgeführt, wodurch sich der Kraftstoffinjektor öffnet und Kraftstoff in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch die unterschiedlich langen Hebelarme des Übertragungselements wird die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors außerdem in eine größere Auslenkung der Düsennadel umgesetzt.

Die Form des in der US 4 101 076 A eingesetzten Übertra­ gungselements zeigt jedoch nur eine mäßige Steifigkeit, die insbesondere bei den hochdynamischen Schaltvorgängen im Kraftstoffinjektor zu Ungenauigkeiten bei der Übertragung der Auslenkung des piezoelektrischen Aktors führt. Weiterhin hat das bekannte Übertragungselement einen großen Raumbedarf und erfordert insbesondere die beiden genannten Rückstellfedern, um ständig Kontakt zwischen den Hebelarmen und dem piezoelek­ trischen Aktor bzw. der Rückseite der Düsennadel zu halten. Die bei den Schaltvorgängen auftretenden Druckkräfte können weiterhin zu Verformungen und Spannungen an den Auflagepunk­ ten des Übertragungselements am piezoelektrischen Aktor, an der Rückseite der Düsennadel bzw. am Gehäuse des Kraftstof­ finjektors führen, die einen Verschleiß des Übertragungsele­ ments nach sich ziehen und damit unmittelbar einen Hubverlust bewirken können.

Aus EP 0 477 400 A1 ist eine Anordnung für einen in Hubrichtung wirkenden adaptiven, mechanischen Toleranzausgleich für den Wegtransformator eines piezoelektrischen Aktors bekannt, bei dem die Auslenkung eines Aktors über eine Hydraulikkammer auf eine Einspritznadel übertragen wird. Die Hydraulikkammer ist dabei von zwei Flächen unterschiedlicher Größe begrenzt. Die Flächen können in Form von beweglichen Kolben oder auslenkbaren Membranen realisiert sein.

Aus DE 197 14 486 A1 ist eine Vorrichtung zum Übertragen einer Auslenkung eines Aktors bekannt, bei der ein mechanischer Über­ setzer zwischen dem Aktor und einer Einspritznadel angeordnet ist. Der mechanische Übersetzer weist eine Anordnung zweier zu­ einander geneigter Arbeitsflächen auf, zwischen denen ein be­ wegliches, mechanisches Element in Form einer Kugel angeordnet ist. Die Bewegung der zwei Arbeitsflächen zueinander wird durch die Kugeln übertragen.

Aus der DE 198 02 495 A1 ist ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten bekannt, bei dem die Auslenkung eines Aktors über einen Druck­ raum auf eine Einspritznadel übertragen wird. Der Druckraum ist auf einer Seite von einem beweglichen Kolben und auf der ande­ ren Seite von einer dünnwandigen Membran begrenzt, die keine Hysterese aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stel­ lantrieb für einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der sich durch einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige Ver­ größerung der Auslenkung eines Aktors im Stellantrieb, die zur Betätigung einer Düsennadel im Kraftstoffinjektor genutzt werden soll, auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Stellantrieb für einen Kraftstof­ finjektor zeichnet sich durch ein biegeelastisches Übertra­ gungselement aus, das zwischen einem Aktor und einer Düsenna­ del angeordnet ist und einen tellerartigen Querschnitt be­ sitzt. Das biegeelastische Übertragungselement steht dabei auf seiner Unterseite in einem Mittenbereich in einer Wirk­ verbindung mit der Düsennadel und auf seiner Oberseite in ei­ nem Außenbereich in einer Wirkverbindung mit dem Aktor, wobei das biegeelastische Übertragungselement zusätzlich auf seiner Unterseite an einem Gehäuse des Kraftstoffinjektors abge­ stützt ist.

Bei einer Auslenkung des Aktors wird über die Wirkver­ bindung zwischen dem Aktor und dem biegeelastischen Übertra­ gungselement der Außenbereich des biegeelastischen Übertra­ gungselements nach unten gedrückt. Diese Bewegung des Außen­ bereichs des biegeelastischen Übertragungselements in Rich­ tung der Auslenkung des Aktors wird durch den Auflagebereich des biegeelastischen Übertragungselements am Gehäuse des Kraftstoffinjektors in eine Bewegung des biegeelastischen Übertragungselements in seinem Mittenbereich in Richtung auf den Aktor zu umgesetzt. In der Folge wird aufgrund der Wirk­ verbindung des biegeelastischen Übertragungselements mit der Düsennadel auch diese Düsennadel mitbewegt, so daß die Düsen­ nadel sich öffnet und der Kraftstoffeinspritzvorgang ausge­ löst wird. Aufgrund des unterschiedlichen Abstands zwischen dem Außenbereich des biegeelastischen Übertragungselements, das auf den Aktor wirkt und dem Auflagebereich am Gehäuse des Kraftstoffinjektors bzw. diesem Auflagebereich und dem Mit­ tenbereich des Übertragungselements, an dem die Düsennadel angreift, läßt sich eine vergrößerte Übersetzung der Auslen­ kung des Aktors erzielen.

Wenn nach dem Ende der Ansteuerung der Aktor dann in seine Ruhestellung zurückkehrt, nimmt auch das Übertragungs­ element aufgrund seiner elastischen Eigenschaften wieder sei­ ne Ausgangsstellung an, wodurch sich mit Hilfe der Wirkver­ bindung zwischen dem Mittenbereich des Übertragungselements und der Düsennadel diese Düsennadel wieder schließt und der Einspritzvorgang beendet wird.

Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Übertragungs­ elements wird dessen Raumbedarf auf ein Minimum reduziert. Weiterhin kann das Übertragungselement einstückig ausgebildet werden, ohne daß eine Rückstellfeder notwendig wird. Darüber hinaus wird durch die Wegumkehr der Auslenkung des Aktors ei­ ne nach außen sich öffnende Wirkverbindung mit der Düsennadel ermöglicht, so daß sich eine einfache Ausgestaltung dieser Wirkverbindung erreichen läßt. Schließlich zeichnet sich das Übertragungselement durch eine hohe Verschleißfestigkeit und damit gute Funktionszuverlässigkeit aus.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Stellantriebs für einen Kraftstoffinjektor im Quer­ schnitt.

Bei der gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellantriebs weist ein Kraftstoffinjektor ein Injektorgehäu­ se 1 mit einer mehrstufigen Innenbohrung 11 auf, in der ein piezoelektrischer Aktor 2 und ein kolbenförmiges Stellglied 3 angeordnet sind. Das kolbenförmige Stellglied 3 ist dabei vorzugsweise direkt mit einer Düsennadel (nicht gezeigt) im Kraftstoffinjektor gekoppelt. Der piezoelektrische Aktor 2 ist aus mehreren übereinandergestapelten piezoelektrischen Aktorelementen 21 aufgebaut, die in einem federelastisch aus­ gebildeten Hohlkörper 22 angeordnet sind. Dieser Hohlkörper 22 ist mit einer Kopfplatte 23 und einer Bodenplatte 24 ver­ bunden, wobei die aufeinandergestapelten piezoelektrischen Aktorelemente 21 mit einer definierten Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorgespannt sind. Zum Ansteuern des piezoelek­ trischen Aktors 2 sind die Aktorelemente 21 leitend mit aus der Kopfplatte 23 hervorstehenden Kontaktstiften (nicht ge­ zeigt) verbunden, an die in einem auf dem Aktor aufgesetzten Aktoranschluß 4 eine Spannung angelegt wird, wodurch eine Längsdehnung im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufen wird.

Der piezoelektrische Aktor 2 ist weiterhin in einem Ak­ torgehäuse 25 angeordnet, das am oberen Ende der im Injektor­ gehäuse 1 ausgebildeten Innenbohrung 11 fest eingespannt ist. Hierbei wird das Aktorgehäuse 25 auf eine Einstellscheibe 26 gedrückt, die auf einer ersten Bohrungsstufe 12 aufliegt. Das Aktorgehäuse 25 wird dabei von einer Hohlschraube 29 festge­ halten, die an einem um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 28 angreift und mit dem Injektorgehäuse 1 ver­ schraubt ist.

Die Bodenplatte 24 des piezoelektrischen Aktors ist mit­ tig mit einem vorzugsweise kreisrunden Aufsatz 241 versehen. Um diesen Aufsatz 241 herum ist, fest mit der Bodenplatte 24 verbunden, eine scheibenförmige Dichtmembran 26 angeordnet, die sich von der Bodenplatte 24 bis zur Innenwandung des In­ jektorgehäuses 1 erstreckt. Die Dichtmembran 26 wird dabei in ihrem Außenbereich zwischen der Einstellscheibe 27 und dem Aktorgehäuse 25 festgehalten und dient dazu, den piezoelek­ trischen Aktor 2 vor einer Leckage von Kraftstoff aus dem Kraftstoffinjektor zu schützen.

In der Innenbohrung 11 ist auf einer zweiten Bohrungs­ stufe 13 weiterhin ein Übertragungselement 5 angeordnet. Die­ ses Übertragungselement 5 setzt sich aus einem biegeelasti­ schen, vorzugsweise aus Federstahl gefertigten Bodenteil 51, einer auf dem Bodenteil 51 angeordneten hochsteifen Deckplat­ te 52 und einer unterhalb des Bodenteils 51 angeordneten Ven­ tilkugel 53 zusammen. Das biegeelastische Bodenteil 51 des Übertragungselements 5 ist dabei im wesentlichen scheibenför­ mig ausgebildet und weist einen tellerartigen Querschnitt auf, wobei es mit seiner Unterseite in einem ringförmigen Auflagebereich 511 an der zweiten Bohrungsstufe 13 aufliegt. Das Bodenteil 51 ist weiterhin vom Auflagebereich 511 ausge­ hend an einem Außenbereich 512 nach oben hochgebogen, wobei auf dem Rand 514 dieses Außenbereichs 512 die Deckplatte 52 mit ihrer Unterseite befestigt ist. Diese Deckplatte 52 ist mit ihrer Rückseite weiterhin fest mit dem Aufsatz 241 an der Bodenplatte 24 des Aktors verbunden. An dem Bodenteil 51 des Übertragungselements 5 ist auf der Unterseite in einem Mit­ tenbereich 513 außerdem fest die Ventilkugel 53 angebracht.

Der Ventilkugel 53 ist in der zweiten Bohrungsstufe 13 ein Ventilsitz 14 zugeordnet. Dieser Ventilsitz 14 ist über eine Durchgangsbohrung 15 mit einem Steuerraum 16, der in der Innenbohrung 11 oberhalb des Stellglieds 3 ausgebildet ist, verbunden. Der Steuerraum 16 weist außerdem über eine Dros­ selbohrung 17 eine Verbindung zu einer Kraftstoffzuführung 18 im Injektorgehäuse 1 auf, in der Kraftstoff unter einem hohen Druck steht.

In der in der Zeichnung gezeigten Ruhestellung wird die Ventilkugel 53 durch das Bodenteil 51 des Übertragungsele­ ments 5 auf den Ventilsitz 14 gedrückt, so daß der Steuerraum 16 gegenüber der zweiten Bohrungsstufe 13 dicht abgeschlossen ist. Der sich dann im Steuerraum 16 einstellende Kraftstoff­ druck sorgt dafür, daß das Stellglied 3 gegen eine Rückstell­ kraft nach unten gedrückt wird und die mit dem Stellglied 3 verbundene Düsennadel im Kraftstoffinjektor geschlossen bleibt.

Bei einer Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 be­ wirkt die durch Elektrostriktion hervorgerufene Längsdehnung des Aktors, daß die Bodenplatte 24 in die Innenbohrung 11 des Injektorgehäuses 1 vorgeschoben wird. Dabei drückt der Auf­ satz 241 an der Bodenplatte 24 mit Hilfe der Deckplatte 52 des Übertragungselements 5 den Außenbereich 512 des Boden­ teils 51 in Richtung der Aktorauslenkung nach unten. Diese Bewegung des Außenbereichs 512 am Bodenteil 51 des Übertra­ gungselements 5 in Richtung gegen die zweite Bohrungsstufe 13 wird durch den Auflagebereich 511 des Bodenteils 51 an der zweiten Bohrungsstufe 13 in eine Gegenbewegung des Mittenbe­ reichs 513 am Bodenteil 51 umgelenkt und bewirkt, daß die am Mittenbereich 513 befestigte Ventilkugel 53 vom Ventilsitz 14 abhebt und sich in Richtung auf den piezoelektrischen Aktor 2 zu bewegt. Das Übersetzungsverhältnis der Aktorauslenkung zu der Auslenkung des Mittenbereichs 513 des Bodenteils 51 und damit zur Auslenkung der Ventilkugel 53 hängt vom Verhältnis zwischen dem effektiven Abstand des Randes 514 zum Auflagebe­ reich 512 und dem effektiven Abstand vom Auflagebereich 511 zum Mittenbereich 513 ab. Wenn - wie in der Zeichnung darge­ stellt - der effektive Abstand vom Mittenbereich 513 zum Auf­ lagebereich 511 des Bodenteils 51 größer ist als der effekti­ ve Abstand vom Auflagebereich 511 zum Rand 514 des Bodenteils 51, wird die Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 2 in ei­ ne vergrößerte Auslenkung der Ventilkugel 53 übersetzt. Eine solche Übersetzung ist insbesondere bei dem in der Ausfüh­ rungsform eingesetzten piezoelektrischen Aktor 2 von Vorteil, da sich dessen Auslenkung im µm-Bereich bewegt, so daß eine Vergrößerung dieser Auslenkung für einen zuverlässigen Stell­ vorgang hilfreich ist.

Wenn dann aufgrund der Auslenkung des piezoelektrischen Aktors 2 die Ventilkugel 52 vom Ventilsitz 14 abgehoben hat, wird die Durchgangsbohrung 15 zum Steuerraum 16 geöffnet und Kraftstoff kann aus diesem Steuerraum dann in die zweite Boh­ rungsstufe 13 und von hier über einen Leckageabfluß (nicht gezeigt) nach außen abgeführt werden. Dadurch sinkt die vom Kraftstoff im Steuerraum 16 auf das Stellglied 3 ausgeübte Haltekraft ab, so daß das Stellglied 3 durch die an ihm an­ greifende Rückstellkraft, die z. B. durch eine Düsenfeder oder auch durch den Kraftstoffdruck in der Kraftstoffzuführung 18 erzeugt werden kann, nach oben in Richtung auf die Durch­ gangsbohrung 15 bewegt wird. Durch diese Verschiebung des Stellglieds 3 wird die mit dem Stellglied verbundene Düsenna­ del im Kraftstoffinjektor geöffnet und Kraftstoff kann in ei­ ne Brennkammer einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden.

Wenn dann die Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors 2 beendet wird, zieht sich der piezoelektrische Aktor 2 wieder zusammen und kehrt in seine in der Zeichnung gezeigte Positi­ on zurück. Die Bodenplatte 24 des piezoelektrischen Aktors 2 und damit die am Aufsatz 241 der Bodenplatte 24 fest verbun­ dene Deckplatte 52 des Übertragungselements 5 kehrt ebenfalls in die Ausgangsstellung zurück. Aufgrund ihrer elastischen Auslegung nimmt dann auch die Bodenplatte 51 wieder ihre ur­ sprüngliche Form an, wobei der Mittenbereich 513 die Ventil­ kugel 53 auf den Ventilsitz 14 drückt und damit die Durch­ gangsbohrung 15 verschließt. Der Kraftstoffdruck im Steuer­ raum 16 steigt wieder an und das Stellglied wird durch den sich ergebenden Kraftstoffdruck nach unten bewegen, so daß sich die Düsennadel im Kraftstoffinjektor schließt und der Einspritzvorgang beendet wird.

Wesentlich an der erfindungsgemäßen Auslegung des Über­ tragungselements 5 ist die biegeelastische Auslegung des Bo­ denteils 51, die dafür sorgt, daß die nach innen gerichtete Bewegung des piezoelektrischen Aktors 2 bei der Auslenkung in eine nach außen gerichtete Bewegung des Mittenbereichs 513 am Übertragungselement 51 umgekehrt wird, die über die Wirkver­ bindung mit dem Stellglied 3 zur Ansteuerung der Düsennadel genutzt wird. Diese Wegumkehr ermöglicht eine vereinfachte Auslegung der Wirkverbindung zwischen dem Übertragungselement 5 und dem Stellglied bzw. der Düssennadel, da die Wirkverbin­ dung sich auf einfache Weise nach außen öffnen kann. Weiter­ hin gewährleistet die biegeelastische Auslegung des Boden­ teils 51 des Übertragungselement 5, daß diese Bodenteil 51 automatisch nach Ende der Auslenkung des Aktors 2 in seine ursprüngliche Lage zurückkehrt, so daß keine zusätzliche Rückstellfeder notwendig ist. Die genaue Positionierung des Aktors 2 in bezug auf das Übertragungselement 5 läßt sich durch die Wahl einer passenden Einstellscheibe 27 zwischen dem Aktorgehäuse 25 und der ersten Bohrungsstufe 12 im Injek­ torgehäuse 1 erreichen.

Alternativ zu der in der Zeichnung gezeigten Ausfüh­ rungsform kann statt einem piezoelektrischen Aktor auch ein anderes Aktorprinzip verwendet werden. Weiterhin kann die in der Zeichnung gezeigte hydraulische Steuerung des Stellglie­ des 3 auch durch eine direkte Einwirkung des Bodenteils 51 des Übertragungselement 5 auf das Stellglied ersetzt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit die Bodenplatte 24 des Aktors 2 - statt über die Deckplatte 52 - direkt mit dem Bo­ denteil 51 des Übertragungselements 5 zu verbinden.

Claims (5)

1. Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor mit einem Aktor (2) und einem Übertragungselement (5), wobei das Übertra­ gungselement in einer Wirkverbindung mit dem Aktor (2) und in einer Wirkverbindung (3, 14, 15, 16, 17, 53) mit einer Düsennadel im Kraftstoffinjektor steht, um eine Auslenkung des Aktors in eine Bewegung der Düsennadel um­ zusetzen, dadurch gekennzeichnet, dass
das Übertragungselement (5) biegeelastisch ausgebildet und im Querschnitt tellerartig ist und in einem Auflage­ bereich (511) an einem Gehäuse (1) des Kraftstoffinjek­ tors abgestützt ist,
dass die Wirkverbindung zum Aktor (2) an einem Außenbe­ reich (512) des Übertragungselements und die Wirkverbin­ dung (3, 14, 15, 16, 17) zur Düsennadel an einem Mitten­ bereich (513) des Übertragungselements (5) angeordnet ist, und
dass die biegeelastische Auslegung des Übertragungsele­ mentes (5) dafür sorgt, dass die Bewegung des Außenbe­ reichs (512) in eine entgegengesetzte Bewegung des Mit­ tenbereichs (513) übertragen wird.

2. Stellantrieb gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement aus einem biegeelastischen Bodenteil (51) und einer steifen Deckplatte (52) besteht, wobei die Deckplatte fest mit einer Bodenplatte (24) des Aktors (2) und einem Rand (514) des Bodenteils (51) verbunden ist.

3. Stellantrieb gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wirkverbindung zwischen dem Übertragungselement (5) und der Düsennadel einen Steuerraum (16) und ein Stell­ glied (3) umfaßt, wobei ein hydraulischer Druck im Steuerraum (16) durch ein Ventil (14, 53), das mit dem Mittenbereich (513) des Übertragungselements (5) verbunden ist, gesteuert wird.

4. Stellantrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein effektiver Abstand vom Mittenbereich (513) zum Auflagebereich (511) des Übertragungselements (51) größer ist als ein effektiver Abstand vom Auflagebereich (511) zum Rand (514) des Übertragungselements (51), so daß eine Auslenkung des Aktors (2) in eine vergrößerte Auslenkung des Mittenbereichs (513) des Übertragungselements (51) über­ setzt wird.

5. Stellantrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (2) nach dem piezoelektrischen Prinzip arbeitet.