DE19928186A1

DE19928186A1 - Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils

Info

Publication number: DE19928186A1
Application number: DE19928186A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kienzler; Patrick Mattes; Wolfgang Stoecklein; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-06-19
Filing date: 1999-06-19
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2019-06-20
Also published as: JP2003502565A; WO2000079609A1; KR20010072696A; CZ2001577A3; EP1110251A1; DE19928186B4

Abstract

Es wird ein Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, vorgeschlagen, bei dem in einem Gehäuse (3) ein Piezoelement (2) axial beweglich gehalten ist. Es ist mindestens ein auf Zug vorgespanntes Federelement (10, 11; 17), vorzugsweise eine Wellfeder, angeordnet. Mit einer Spannanordnung (8; 18), die einen mit dem Piezoelement (2) verbundenen Druckbolzen (5) mechanisch mit dem Federelement (10, 11; 17) verbindet, führt eine Betätigung des Piezoaktors (1) zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements (2) und damit zu einer axialen Bewegung des Druckbolzens (5) gegen die Kraft des Federelements (10, 11; 17).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Ein spritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbren nungsmotor, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.

Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des soge nannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung er folgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebe reiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt.

Für sich gesehen ist es auch bekannt, dass Einspritzdüsen oder -ventile zur Kraftstoffzumessung eines Verbrennungs motors Druck- oder Steuerbolzen aufweisen, die hohe Drüc ke und schnelle und genaue Reaktionszeiten verlangen. Eins solche Einspritzvorrichtung ist beispielsweise in "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", VDI-Verlag 1987, 20. Auflage, Seiten 391, 392 beschrieben. Hier kommt es vor allem darauf an, dass die Anordnung aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraumes im Motorraum des Ver brennungsmotors einen möglichst geringen Durchmesser auf weist.

Vorteile der Erfindung

Der eingangs beschriebene Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritz injektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmo tor weist in vorteilhafter Weise ein optimal bemessbares, insbesondere ein sehr schlankes Gehäuse auf, in dem der Piezoaktor gehalten ist. Die schlanke Bauweise erlaubt dabei insbesondere bei einem Einspritzsystem auch die An ordnung eines zentralen Hochdruckanschlusses für den Kraftstoff.

Zur Erzeugung einer notwendigen Vorspannung, die bei spielsweise zur Rückstellung eines Betätigungselements notwendig ist, wird der Piezoaktor, der in einem Gehäuse axial beweglich gehalten ist, in vorteilhafter Weise mit mindestens einem auf Zug vorgespannten Federelement, be vorzugt eine Wellfeder, versehen, die in axialer Richtung zwischen dem Piezoelement und einer oberen Fixierung im Gehäuse angeordnet ist.

Mit einer Spannanordnung, die einen mit dem Piezoelement verbundenen Druckbolzen mechanisch mit der Wellfeder ver bindet, kann dabei die benötigte Vorspannung auf das Pie zoelement aufgebracht werden, wobei eine Betätigung des Piezoaktors zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements und damit zu einer axialen Bewegung des Druckbolzens ge gen die Kraft der Wellfeder führt. Die mindestens eine Wellfeder muss hier den Hub des Piezoelements mitmachen, wobei die Steifigkeit der Wellfeder jedoch sehr klein im Verhältnis zur Vorspannung sein sollte.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Piezoaktor am oberen Ende am Gehäuse fixiert und mit einem Spannband als Spannanordnung umschlossen, das am oberen Ende mit einer Halterung der Wellfeder fest verbunden ist, so dass das Spannband bei einer axialen Ausdehnung des Piezoak tors eine Zugkraft auf die Wellfeder ausübt.

An der Stelle eines Spannbandes kann hier auf einfache Weise auch ein geschlossenes Gehäuse vorgesehen werden, das das Piezoelement einfasst.

Die Fixierung des Piezoaktors kann beispielsweise über einen zentralen Bolzen erfolgt, der mit der oberen Fixie rung der Wellfeder fest verbunden ist, wobei hier in vor teilhafter Weise zwei Wellfedern beidseitig des Bolzens symmetrisch angeordnet sind.

In anderer Weise kann die Fixierung des Piezoaktors auch über eine Fixierscheibe erfolgt, die an einer Fixierkante in Richtung der Wellfeder am Gehäuse anliegt und durch die das Spannband beweglich führbar ist.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor zur Be tätigung eines Einspritzinjektors zur Kraftstoffzu messung in einem Verbrennungsmotor mit zwei Wellfe dern und einer Fixierung des Piezoaktors mit einem Bolzen;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Piezoaktor in Ab wandlung des Beispiels nach Figur.1 mit einer Well feder und einer Fixierung des Piezoaktors an einer Fixierkante des Gehäuses und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Gehäuse als Spannvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein Piezoaktor 1 mit einem Piezoelement 2 in einem Gehäuse 3 gezeigt. Das Pie zoelement 2 ist hier, wie an sich bekannt, aus einem Quarzmaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur auf gebaut, so dass unter Ausnutzung des sogenannten Pie zoeffekts bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements 2 erfolgt. Aufgrund der schlanken Bauweise des Piezoaktors 1 im Ge häuse 3 ist hier noch eine Hochdruckleitung 4 für die Kraftstoffzuführung zu einem Verbrennungsmotor angeord net.

Das Piezoelement 2 ist zwischen einem unteren abgerunde ten Druckbolzen 5 mit einem Betätigungsstössel 6 und ei nem oberen Druckbolzen 7 eingefasst. Diese Anordnung wird umschlossen von einem Spannband 8, das oben an eine Scheibe 9 angeschweißt ist, die als Halterung für Wellfe dern 10 und 11 als Federelemente dienen. Bei der Anord nung nach der Fig. 1 ist ein Bolzen 12 vorhanden, der den oberen Druckbolzen 7 mit einer Platte 13 fest verbin det, die an einer Fixierkante 14 des Gehäuses 3 anliegt.

Die Wellfedern 10 und 11 nach der Fig. 1 sind hierbei mit der Scheibe 8 an einem Ende und der Platte 13 am an deren Ende fest verbunden, beispielsweise angeschweißt, und werden durch die Fixierung an der Fixierkante 14 ei nerseits und die starre Verbindung über den Bolzen 12, den Druckbolzen 7, das Piezoelement 2, das Spannband 8 und die Scheibe 9, andererseits mit einer Vorspannung in Zugrichtung beaufschlagt.

Eine Betätigung des Piezoaktors 1 führt hierbei zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements 2 und damit zu einer axialen Bewegung des Stössels 6. Weiterhin erfolgt ein Druck auf das Spannband 8, das eine axiale Zugkraft auf die Scheibe 9 ausübt, die zu einer weiteren Zugbeanspru chung der Wellfedern 10 und 11 führt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist hin sichtlich gleich wirkender Teile mit den gleichen Bezugs zeichen versehen. In Abwandlung zu der Fig. 1 ist hier ein oberer Druckbolzen 15 als Fixierscheibe ausgeführt, die an einer Fixierkante 16 des Gehäuses anliegt. Damit entfällt der beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 notwendige Bolzen 12 und es kann eine zentral angeordnete Wellfeder 17 vorgesehen werden. Die Wirkungsweise ist hier jedoch die gleiche wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1, wobei lediglich sichergestellt werden muss, dass die Zugkraft des Spannbandes 8 auf die Scheibe 9 als Halterung für die Wellfeder 17 übertragen wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist als Spann vorrichtung für die Übertragung der Zugkraft ein ge schlossenes Gehäuse 18 für das Piezoelement 2 vorhanden.

Claims

1. Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritzinjektor zur Kraftstoff zumessung in einem Verbrennungsmotor, mit

- einem Gehäuse (3), in dem ein Piezoelement (2) des Piezoaktors (1) axial beweglich gehalten ist,
- mindestens einem auf Zug vorgespannten Federelement (10, 11; 17), das in axialer Richtung zwischen dem Pie zoelement (2) und einer oberen Fixierung im Gehäuse (3) angeordnet ist,
- mit einer Spannanordnung (8; 18), die einen mit dem Piezoelement (2) verbundenen Druckbolzen (5) mecha nisch mit dem Federelement (10, 11; 17) verbindet, wobei eine Betätigung des Piezoaktors (1) zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements (2) und damit zu einer axialen Bewegung des Druckbolzens (5) gegen die Kraft des Federelements (10, 11; 17) führt.

2. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Piezoaktor (1) am oberen Ende am Gehäuse (3) fi xiert ist und mit einem Spannband (8) als Spannanord nung umschlossen ist, das am oberen Ende mit einer Halterung (9) des Federelements (10, 11; 17) fest ver bunden ist, so dass das Spannband (8) bei einer axia len Ausdehnung des Piezoelements (2) eine Zugkraft auf das Federelement (10, 11; 17) ausübt.

3. Piezoaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Piezoaktor (1) am oberen Ende am Gehäuse (3) fi xiert ist und mit einem Gehäuse (18) als Spannanord nung umschlossen ist, das am oberen Ende mit einer Halterung (9) des Federelements (17) fest verbunden ist, so dass das Spannband (8) bei einer axialen Aus dehnung des Piezoelements (2) eine Zugkraft auf das Federelement (17) ausübt.

4. Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass

- die Fixierung des Piezoaktors (1) über einen zentralen Bolzen (12) erfolgt, der mit einer Platte (13) zur oberen Fixierung des Federelements (10, 11) fest ver bunden ist und dass
- zwei Federelemente (10, 11) beidseitig des Bolzens (12) symmetrisch angeordnet sind.

5. Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, dass

- die Fixierung des Piezoaktors (1) über eine Fixier scheibe (15) erfolgt, die an einer Fixierkante (16) in Richtung des Federelements (17) am Gehäuse (3) anliegt und durch die das Spannband (8) beweglich führbar ist.

6. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die obere Fixierung des mindestens einen Federelements (10, 11; 17) axial veränderlich ist.

7. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- das mindestens eine Federelement (10, 11; 17) mit der Platte (13) zur oberen Fixierung und der Scheibe (9) am Spannband (8) verschweißt ist.

8. Piezoaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Federelemente Wellfedern (10, 11; 17) sind.