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Die
Erfindung betrifft eine Betätigungseinheit mit
einer Rohrfeder und einem piezoelektrischen Betätigungselement, das in die
Rohrfeder eingesetzt ist und von der Rohrfeder vorgespannt wird.
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Betätigungseinheiten
mit einem piezoelektrischen Betätigungselement
finden in großem
Umfang Verwendung und werden mehr und mehr für Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Sie besitzen den Vorteil von
Betätigungssignalen
mit sehr raschen Ansprechzeiten und ermöglichen daher eine Vielzahl
von Einspritzvorgängen
in einen Zylinder des Verbrennungsmotors während eines Arbeitszyklus des
Zylinders. Wesentlich für
eine zuverlässige
Betriebsweise einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Betätigungseinheit
mit einem piezoelektrischen Betätigungselement
ist, dass das piezoelektrische Betätigungselement präzise vorgespannt
ist.
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Die
WO 00/08353 beschreibt eine Betätigungseinheit
mit einer Rohrfeder, einem piezoelektrischen Betätigungselement, das in die
Rohrfeder eingesetzt ist, einer ersten Kappe, die mit der Rohrfeder an
einem ersten Ende derselben verbunden ist und mit dem piezoelektrischen
Betätigungselement
in Verbindung steht, und einer zweiten Kappe, die mit der Rohrfeder
an einem zweiten Ende derselben verbunden ist und ebenfalls mit
dem piezo elektrischen Betätigungselement
in Verbindung steht. Die erste und zweite Kappe sind mit der Rohrfeder
verschweißt.
Die Rohrfeder besteht vorzugsweise aus Stahl und weist Ausnehmungen
auf, die knochenförmig
ausgebildet sind. Das piezoelektrische Betätigungselement wird von der
Rohrfeder vorgespannt. Die Vorspannkräfte werden über die erste und zweite Kappe
auf das piezoelektrische Betätigungselement übertragen.
Das piezoelektrische Betätigungselement
wird mit einer Kraft von 100 – 1000
N vorgespannt. Bei der Herstellung der Betätigungseinheit muss das piezoelektrische
Betätigungselement
in die Rohrfeder eingesetzt werden, nachdem die erste Kappe mit
der Rohrfeder verschweißt
worden ist und bevor die zweite Kappe mit der Rohrfeder verschweißt wird.
Während
des Verschweißens
der zweiten Kappe mit der Rohrfeder muss die vorgegebene Vorspannkraft
auf die zweite Kappe aufgebracht werden. Das bedeutet, dass ein
Werkzeug in entsprechender Weise die zweite Kappe kontaktieren muss.
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, eine Betätigungseinheit und ein Verfahren
zum Herstellen einer Betätigungseinheit
zu schaffen, die einfach und gleichzeitig billig in der Herstellung
bzw. Ausführung sind.
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Dieses
Ziel wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Betätigungseinheit mit einer Rohrfeder,
einem piezoelektrischen Betätigungselement,
das in die Rohrfeder eingesetzt ist, einer ersten Kappe, die an
einem ersten Ende der Rohrfeder mit dieser verbunden ist und an
das piezoelektrische Betätigungselement
angrenzt, einem rohrförmigen
Korpus, der durch Anfügen
mit der Rohrfeder verbunden und im Bereich eines zweiten Endes der
Rohrfeder an geordnet ist, und einer Einrichtung zum Vorspannen,
die vom rohrförmigen
Korpus gelagert wird und das piezoelektrische Betätigungselement
vorspannt. Da hat den Vorteil, dass das Anfügen des rohrförmigen Korpus
durchgeführt
werden kann, ohne dass das piezoelektrische Betätigungselement vorgespannt
wird. Hierdurch wird ein sehr guter Zugang für die Verbindungswerkzeuge
erreicht, da kein anderes Werkzeug eingesetzt werden muss, das seine
Vorspannung auf das piezoelektrisch Betätigungselement aufbringt, während der
rohrförmige
Korpus mit der Rohrfeder verschweißt wird. Die vorgegebene Vorspannung
kann dann nach dem Anfügen
des rohrförmigen
Korpus an die Rohrfeder eingestellt werden, was es einfacher macht,
die Vorspannung auf ein vorgegebenes Niveau zu bringen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Betätigungseinheit
einen Korpus, der einen scheibenförmigen Teil aufweist, der in die
Rohrfeder zwischen das piezoelektrische Betätigungselement und den rohrförmigen Korpus
eingesetzt und von der Einrichtung zum Vorspannen beeinflusst wird.
Dies hat den Vorteil, dass die vom der Einrichtung zum Vorspannen
aufgebrachte Kraft auf konsistente Weise über die Fläche des scheibenförmigen Teiles
auf das piezoelektrische Betätigungselement
geführt
wird.
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Es
ist sehr vorteilhaft, wenn der Korpus als bolzenförmiger Körper ausgebildet
ist, da derartige Teile billig sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Betätigungseinheit
ist ein Gewinde im rohrförmigen
Korpus vorgesehen und handelt es sich bei der Einrichtung zum Vorspannen
um eine Schraube, die in das Gewinde eingeschraubt wird. Dies hat den
Vorteil, dass die Vorspannung ohne große Anstrengungen genau eingestellt
werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Bolzen im
großen Umfang
und billig erhältlich
sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Betätigungseinheit
ist der Bolzen auf seiner Schaftseite sphärisch geformt. Dies hat den Vorteil,
dass die Teile weniger genau hergestellt werden müssen und
trotzdem eine genaue Einstellung der Vorspannung möglich ist.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Betätigungseinheit
besitzt der rohrförmige
Korpus einen Sprung in seinem Durchmesser auf seinem Außenumfang.
Dies hat den Vorteil, dass der rohrförmige Korpus in einfacher Weise
in der Rohrfeder angeordnet werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Betätigungseinheit
ist der rohrförmige Korpus
mit der Rohrfeder durch Schweißen
verbunden.
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Das
Ziel der Erfindung betreffend das Verfahren zur Herstellung einer
Betätigungseinheit
wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit
erreicht, das die folgenden Schritte umfasst: Verbinden einer ersten
Kappe mit einer Rohrfeder an einem ersten freien Ende der Rohrfeder,
Einsetzen eines piezoelektrischen Betätigungselementes in die Rohrfeder,
Anordnen eines rohrförmigen Korpus
im Bereich eines zweiten freien Endes der Rohrfeder und Verbinden
der Rohrfeder durch Anfügen
und Einsetzen einer Vorspanneinrichtung, die vom rohrförmigen Korpus
gelagert wird und das piezoelektrische Betätigungselement vorspannt. Dieses Verfahren
hat den Vorteil, dass das Anfügen
des rohrförmigen
Korpus durchgeführt
werden kann, ohne dass eine Vorspannkraft auf das piezoelektrische
Betätigungselement
aufgebracht werden muss, so dass daher keine entsprechenden Werkzeuge während des
Schweißprozesses
angeordnet werden müssen.
Hierdurch wird ein besserer Zugang für das Schweißwerkzeug
erreicht. Die Vorspannkraft kann danach einge stellt werden, während die
Vorspanneinrichtung eingesetzt wird, wodurch es einfach wird, die
Vorspannung auf ein vorgegebenes Niveau einzustellen. Diese Merkmale
ermöglichen,
dass die Betätigungseinheit
auf billige Weise zusammengebaut werden kann, während gleichzeitig eine zuverlässige Betätigungseinheit
erreicht wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird nach dem Einsetzen des piezoelektrischen Betätigungselementes
in die Rohrfeder ein Korpus, der einen scheibenförmigen Teil umfasst, in die
Rohrfeder von der Seite des zweiten freien Endes eingesetzt. Der
scheibenförmige
Teil ermöglicht, dass
die von der Einrichtung zum Vorspannen ausgeübte Kraft auf konsistente Weise über die
Fläche
des scheibenförmigen
Teiles des piezoelektrischen Betätigungselementes
geführt
wird.
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Beispielhaft
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend mit Hilfe der schematischen Zeichnungen
erläutert.
hiervon zeigen;
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1 eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Betätigungseinheit;
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2A einen
Schnitt durch eine Betätigungseinheit;
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2B die
Betätigungseinheit
gemäß 2A;
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3A einen
ersten Schritt zum Zusammenbau der Betätigungseinheit;
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3B einen
zweiten Schritt zum Zusammenbau der Betätigungseinheit;
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3C einen
dritten Schritt zum Zusammenbau der Betäti gungseinheit;
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3D einen
vierten Schritt zum Zusammenbau der Betätigungseinheit;
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3E einen
fünften
Schritt zum Zusammenbau der Betätigungseinheit;
und
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4 eine
zweite Ausführungsform
der Betätigungseinheit.
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Elemente
der gleichen Konstruktion und Funktion, die in unterschiedlichen
Darstellungen vorhanden sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Benzinmotor dient oder auch zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Dieselmotor geeignet sein kann, besitzt ein Gehäuse 1,
einen Ventilkorpus 2 und eine Betätigungseinheit 3.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist vorzugsweise in einem Zylinderkopf
eines Verbrennungsmotors angeordnet und versorgt eine Verbrennungskammer mit
Kraftstoff. Das Gehäuse
kann als Doppelrohr ausgebildet sein, wobei im Raum zwischen den
Wänden des
Doppelrohres der Kraftstoff zum Ventilkorpus geführt wird.
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Der
Ventilkorpus 2 umfasst eine Nadel 21, die im Ventilkorpus
im Bereich einer Führung 22 geführt wird.
Die Nadel öffnet
sich nach außen,
kann sich jedoch auch nach innen öffnen. Sie wird von einer Rückzugsfeder 24,
die auf einer Federscheibe 25 sitzt, welche mit der Nadel 21 verbunden
ist, in ihre geschlossene Position gedrückt. Die Rückzugsfeder 24 übt eine
Kraft auf die Nadel 21 in Schließrichtung derselben aus.
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Die
Nadel 21 ist mit der Betätigungseinheit 3 verbunden.
In Abhängigkeit
vom Betätigungssignalen ändert die
Betätigungseinheit 3 ihre
axiale Länge und
drückt
auf diese Weise die Nadel 21 in ihre offene Position oder
lässt die
Nadel in ihrer geschlossenen Position. Die Betätigungseinheit 3 umfasst
ein Piezobetätigungselement 31,
das in eine Rohrfeder 32 eingesetzt ist, welche das Piezobetätigungselement 31 mit
einer vorgegebenen Kraft von vorzugsweise 800 – 1000 N vorspannt. Eine thermische Kompensationseinrichtung
kann mit der Betätigungseinheit 3 und
dem Gehäuse 1 verbunden
sein, um unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten des
Gehäuses 1 und
der Betätigungseinheit 3 zu kompensieren.
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Die
Betätigungseinheit 3 (2A, 2B) umfasst
die Rohrfeder 32, die vorzugsweise aus Stahl hergestellt
ist und diverse Ausnehmungen aufweist, die knochenförmig ausgebildet
sind. Die Rohrfeder muss aus einem Material und in einer Weise hergestellt
sein, dass sie die Vorspannung aufrechterhalten kann und auch für die weitere
axiale Verlängerung
des Piezobetätigungselementes 31 flexibel genug
ist. Die Betätigungseinheit 3 besitzt
des Weiteren eine erste Kappe 33, die an einem ersten freien Ende 34 der
Rohrfeder 32 mit dieser verbunden ist. Die erste Kappe 33 besitzt
Ausnehmungen, in die Kontaktstifte 36 eingesetzt sind und
mit Elektroden der Piezoelemente des Piezobetätigungselementes 31 elektrisch
in Kontakt stehen. Das Piezobetätigungselement 31 umfasst
eine Reihe von Piezoelementen.
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Vorzugsweise
ist die erste Kappe 33 am ersten freien Ende 34 mit
der Rohrfeder 32 verschweißt. Das Piezobetätigungselement 31 verbindet
die erste Kappe 33 von der Innenseite der Rohrfeder 32.
Am zweiten freien Ende 35 der Rohrfeder 32 ist
ein rohrförmiger
Korpus 38 mit der Rohrfeder 32 verbunden, vorzugsweise
durch Schweißen.
Er kann jedoch auch auf irgendeine andere bekannte Weise mit der Rohrfeder
verbunden sein. Der rohrförmige
Korpus 38 wird in die Rohrfeder 32 gedrückt und
ruht auf dem zweiten freien Ende 35 der Rohrfeder auf einem Sprung 381 im
Durchmesser des rohrförmigen
Korpus 31. Dieser Sprung 381 im Durchmesser wird
beispielsweise von einem ringförmigen
Vorsprung 382 des rohrförmigen
Korpus 38 gebildet. Hierdurch kann der rohrförmige Korpus 38 auf
einfache Weise in der Rohrfeder 32 positioniert werden,
und es wird eine genaue und haltbare Schweißverbindung ermöglicht.
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Zwischen
dem Piezobetätigungselement 31 und
den rohrförmigen
Korpus 38 ist ein Korpus 37 in der Rohrfeder 32 angeordnet.
Der Korpus 37 umfasst einen scheibenförmigen Teil 371 und
einen Schaftteil und bildet auf diese Weise einen bolzenförmigen Körper. Zwischen
dem rohrförmigen
Korpus 38 und dem Piezobetätigungselement 31 kann
der scheibenförmige
Teil 371 mit Axialspiel angeordnet sein.
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Ein
Bolzen 39 ist in den rohrförmigen Korpus 38 geschraubt,
der ein entsprechendes Gewinde 383 aufweist. In Abhängigkeit
davon, wie weit der Bolzen 39 in das Gewinde 383 eingeschraubt
ist, wird eine Vorspannkraft über
den Korps 37 auf das Piezobetätigungselement 31 ausgeübt. Daher
kann die Vorspannkraft in einfacher Weise eingestellt werden. Der Bolzen 39 kann
auf seiner Schaftseite sphärisch
geformt sein.
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Der
Montageprozess der Betätigungseinheit wird
nachfolgend in Verbindung mit den 3A bis 3E beschrieben. 3A zeigt
einen ersten Montageschritt der Betätigungseinheit 3.
Die erste Kappe 33 wird mit der Rohrfeder 32 an
ihrem ersten Ende 34 verbunden, vorzugsweise durch Schweißen, insbesondere
Laserschweißen.
Im nächsten
Montageschritt (3B) wird das Piezobetätigungselement 31 von
seinem zweiten freien Ende 35 in die Rohrfeder 32 eingesetzt,
bis es gegen die erste Kappe 33 stößt.
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Im
nächsten
Schritt (3C) wird der bolzenförmige Korpus 37 mit
seinem Schaft in den rohrförmigen
Korpus 38 eingesetzt, wonach die beiden Teile dann in die
Rohrfeder 32 gedrückt
werden, bis der rohrförmige
Korpus 38 mit seinem Sprung im Durchmesser 381 auf
dem zweiten freien Ende 35 der Rohrfeder 32 ruht.
Der rohrförmige
Korpus 38 wird dann mit der Rohrfeder 32 verbunden,
vorzugsweise durch Laserschweißen.
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Im
nächsten
Schritt (3E) wird ein Bolzen 39 in
ein Gewinde 383 des rohrförmigen Korpus 38 geschraubt.
Der Bolzen 39 wird in das Gewinde 38 geschraubt,
bis die auf das Piezobetätigungselement 31 ausgeübte Kraft
einen vorgegebenen Wert erreicht. Um hiernach den Bolzen 39 in
seiner exakten Position zu halten, kann er mit dem rohrförmigen Korpus 38 verschweißt oder
verlötet
werden.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Betätigungseinheit 3,
wobei nur die relevanten Teile in 4 dargestellt
sind. Bei dieser Ausführungsform besteht
der Korpus 37 nur aus dem scheibenförmigen Teil und besitzt der
Bolzen 39 einen Schaft, der lang genug ist, um eine der
Flächen
des Korpus 37 zu kontaktieren und hierdurch eine entsprechende Kraft
auf den Korpus 37 auszuüben,
die dieser auf das Piezobetätigungselement 31 überträgt. Bei
einer einfachen Ausführungsform
der Betätigungseinheit 3 kann
der Schaft des Bolzens 39 direkt das Piezobetätigungselement 31 kontaktieren.