DE19946965A1 - Geräuschgedämpfte Aktoreinheit mit einem Piezoelement - Google Patents

Abstract

Eine Aktoreinheit weist ein Piezoelement auf, das von einem Gehäuse umgeben ist, das wenigstens teilweise mit einer äußeren Schicht aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften gefertigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit mit einem Piezoele­ ment gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Ak­ toreinheit ist zum Beispiel in der DE 38 44 134 C2 beschrie­ ben.

Zur Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden zu­ nehmend Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindig­ keiten gearbeitet wird. Bei diesen Speichereinspritzsystemen wird Kraftstoff mittels einer Hochdruckpumpe in einen Hoch­ druckspeicher gefördert, von dem aus der Kraftstoff mit Hilfe von Kraftstoffinjektoren in die Brennkraftmaschine einge­ spritzt wird. Der Kraftstoffinjektor wird dabei von einem elektrisch angesteuerten Aktor betätigt, wobei sich vor allem der Einsatz von piezoelektrischen Aktoren zum Erzielen aus­ reichend kurzer Schaltzeiten als vorteilhaft erwiesen hat.

Bei einem solchen piezoelektrischen Aktor wird in einem aus Keramik bestehenden Piezoelement durch Anlegen einer Spannung eine Längsdehnung hervorgerufen, die auf ein Servoventil im Kraftstoffinjektor übertragen wird, das dann wiederum eine Einspritzdüse im Kraftstoffinjektor öffnet oder schließt.

Die extrem schnell schaltenden piezoelektrischen Aktoren mit Schaltzeiten im Bereich von unter 200 µs geben jedoch sehr laute und hochfrequente Schaltgeräusche ab, die insbesondere im unteren Lastbereich der Brennkraftmaschine zu einer erheb­ lichen Geräuschbelastung führen und so den Fahrkomfort nega­ tiv beeinflussen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Ak­ toreinheit mit einem Piezoelement bereitzustellen, das kostengünstig und platzsparend eine weitgehende Kompensation der Geräuschemission der Aktoreinheit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen An­ sprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Aktoreinheit weist ein Piezoele­ ment aufnehmendes Gehäuse wenigstens in einem Teilbereich ei­ ne äußere Schicht aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfen­ den Eigenschaften auf. Schallemissionsmessungen bei Aktorein­ heiten mit Piezoelement haben nämlich gezeigt, daß das Gehäu­ se des Piezoelements selbst die entscheidende Geräuschquelle darstellt. Bei der Längsdehnung des Piezoelements wird das Gehäuse zu longitudinalen Schwingungen angeregt, wodurch eine schallerzeugende Oberfläche in der Aktoreinheit entsteht. Durch die Verwendung eines geeigneten Werkstoffes mit schall­ dämpfenden Eigenschaften auf der Oberfläche des Aktorgehäuses ist es deshalb möglich, die Geräuschemission des Aktorgehäu­ ses wesentlich zu reduzieren.

Das Aktorgehäuse wird dabei vorzugsweise mit einer Grauguß­ schicht, die Lamellen aus Graphit enthält, oder biegeelasti­ schen Stoffen, insbesondere Silikon überzogen. Diese Werk­ stoff zeichnen sich durch eine hohe Schwingungs- und Ge­ räuschdämpfung im Bereich der durch das Piezoelement im Ge­ häuse erzeugten Schwingungsfrequenzen aus.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Ak­ torgehäuse mehrschichtig aufgebaut, vorzugsweise mit einer Innenschicht, die bezüglich ihrer Ausgestaltung sowie des verwendeten Werkstoffs auf die Funktion und Auslegung des Piezoelements in der Aktoreinheit abgestimmt ist und einer geräusch- und schwingungsdämpfenden Außenschicht. Hierdurch ist es möglich, das Gehäuse sowohl in bezug auf das Piezoele­ ment als auch in bezug auf eine Geräuschdämpfung optimal aus­ zulegen.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit; und

Fig. 1B eine Querschnitt durch die in Fig. 1A gezeigte Ak­ toreinheit.

Fig. 1A und Fig. 1B zeigen schematisch eine Aktoreinheit, die im wesentlichen aus einem Piezoelement 1, einem mit dem Pie­ zoelement verbundenen Betätigungsstift 2 und einem das Piezo­ element aufnehmenden Gehäuse 3 besteht. Das Piezoelement 1 ist dabei vorzugsweise zylindrisch ausgeformt und kann aus mehreren übereinander gestapelten Einzelelementen aufgebaut sein, die in einer Vorspanneinrichtung verkapselt sind, wobei das Piezoelement 1 mit einer Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorgespannt wird.

Das das Piezoelement 1 aufnehmende Gehäuse 3 ist vorzugsweise ebenfalls zylindrisch ausgebildet und setzt sich aus einer Kopfplatte 31, einer Bodenplatte 32 und einer Hülse 33 zusam­ men. Das Piezoelement 1 ist dabei mit einer Stirnfläche fest mit einer Innenfläche der Kopfplatte 31 verbunden, wobei zwei Kontaktstifte 11 des Piezoelements aus zwei Öffnungen 311 in der Kopfplatte 31 hervorstehen. In der Bodenplatte 32 des Ge­ häuses 3 ist eine weitere Öffnung 321 vorgesehen, aus der der am Piezoelement 1 angebrachte Betätigungsstift 2 herausragt, um eine Verbindung mit der Stelleinrichtung (nicht gezeigt) herzustellen.

Im Piezoelement 1 kann durch Anlegen einer Spannung an die beiden Kontaktstifte 11 eine Längsdehnung erzeugt werden, die über den Betätigungsstift 2 die Stelleinrichtung auslöst, die dann eine Düsennadel im Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff öffnet.

Die Kopfplatte 31 und die das Piezoelement 1 vollständig um­ fassende Hülse 33 sind in der gezeigten Ausführungsform ein­ teilig ausgeführt und bestehen aus drei Schichten 34, 35, 36. Die innere Schicht 34 ist weiterhin über einen verbreiteten Schaftbereich 341 form- und/oder kraftschlüssig mit der Bo­ denplatte 32 verbunden. Diese Bodenplatte 32 kann wiederum fest an der Stelleinrichtung angebracht werden. Alternativ der gezeigten Ausführungsform kann das Gehäuse 3 auch ohne Bodenplatte 32 ausgeführt werden, wobei dann die Hülse 33 fest mit der Stelleinrichtung verbunden ist.

Der Werkstoff der inneren Schicht 34 der Kopfplatte 31 und der Hülse 33 ist auf die Auslegung und Funktion des Piezoele­ ments 1 abgestimmt. Der Werkstoff zeichnet sich deshalb vor allem durch eine hohe Steifigkeit aus. Weiterhin kann das Ma­ terial der inneren Schicht 34 so gewählt werden, daß es den Temperatureffekt der Keramik, aus der die Piezoelemente übli­ cherweise bestehen, kompensiert.

Die äußere Schicht 36 dagegen ist aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften gefertigt, wodurch die Geräuschemission der Aktoreinheit wesentlich herabgesetzt wird. Schallemissionsmessungen haben gezeigt, daß die domi­ nierende Geräuschquelle bei Aktoreinheiten mit einem Piezo­ element 1 das das Piezoelement umfassende Gehäuse 3 ist, da die Längsdehnung des Piezoelements über die Verbindung an der Stirnseite mit dem Gehäuse das Gehäuse zu hochfrequenten Schwingungen anregt, die zu einer hohen Geräuschentwicklung führen.

Durch die Verwendung eines Werkstoffs mit schwingungsdämpfen­ den Eigenschaften für die äußere Schicht werden die vom Pie­ zoelement 1 auf das Gehäuse 3 übertragenen hochfrequenten Schwingungen aufgefangen, so daß verhindert wird, daß die Ge­ häuseoberfläche 2 sich in eine Schallquelle verwandelt. Als besonders geeignete Werkstoffe für die äußere Schicht 36 des Gehäuses 3 haben sich dabei mit Graphitlamellen versehener Grauguß und biegeelastische Stoffe, vor allem Silikon, erwie­ sen. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe Dämpfung im Frequenzbereich der vom Piezoelement erzeugten mechani­ schen Schwingungen aus.

Die mittlere Schicht 35 im Gehäuseaufbau dient dazu, den Ver­ bund zwischen der inneren Funktionsschicht 34 und der äußeren Funktionsschicht 36 herzustellen. Als Werkstoff wird deshalb für die Zwischenschicht 35 ein Material gewählt, das sich so­ wohl mit dem Werkstoff der inneren als auch der äußeren Schicht gut verbindet und so für einen festen Zusammenhalt sorgt. Alternativ zu dem in Fig. 1A gezeigten einstückigen Aufbau von Kopfplatte 31 und Hülse 33 besteht auch die Mög­ lichkeit, diese beiden Bauteile getrennt anzufertigen. Wei­ terhin ist für eine Schalldämpfung ausreichend, wenn allein die Hülse 33 mit einer äußeren schalldämpfenden Schicht ver­ sehen ist. Es besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, die Hülse 33 ganz aus einem schalldämpfenden Material zu fer­ tigen.

Claims (5)

1. Aktoreinheit mit einem Piezoelement (1), das geeignet ist über eine Wirkverbindung (2) eine Stelleinrichtung zu betäti­ gen, und einem das Piezoelement umgebenden Gehäuse (3), wobei ein oberer Endabschnitt des Gehäuses form- und/oder kraft­ schlüssig mit dem Piezoelement verbunden ist, und ein unterer Endabschnitt des Gehäuses mit der Stelleinrichtung form- und/oder kraftschlüssig verbunden werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt (31, 33) des das Piezoelement umge­ benden Gehäuses (3) in seinem Außenbereich aus einem Werk­ stoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften gefertigt ist.

2. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Werkstoff mit den schwin­ gungsdämpfenden Eigenschaften ein mit Graphitlamellen ver­ setzter Grauguß ist.

3. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Werkstoff mit den schwin­ gungsdämpfenden Eigenschaften ein biegeelastischer Stoff, vorzugsweise Silikon ist.

4. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (31, 33) des Gehäuses (3) in Sandwichbauweise gefertigt ist, wobei eine innere Schicht (34) aus einem Werkstoff besteht, der auf funktionsrelevante Effekte des Piezoelements (1) ab­ gestimmt ist, und eine äußere Schicht (36) aus dem Werkstoff mit den schwingungsdämpfenden Eigenschaften besteht.

5. Aktoreinheit gemäß Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abschnitt (31, 33) des Ge­ häuses einen Dreischichtaufbau mit einer mittleren Verbund­ schicht (35) besitzt.