EP1110251A1 - Piezoaktor zur betätigung eines mechanischen bauteils - Google Patents

Piezoaktor zur betätigung eines mechanischen bauteils

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EP1110251A1
EP1110251A1 EP00949081A EP00949081A EP1110251A1 EP 1110251 A1 EP1110251 A1 EP 1110251A1 EP 00949081 A EP00949081 A EP 00949081A EP 00949081 A EP00949081 A EP 00949081A EP 1110251 A1 EP1110251 A1 EP 1110251A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piezo
piezo actuator
spring element
housing
spring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00949081A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Kienzler
Patrick Mattes
Wolfgang Stoecklein
Friedrich Boecking
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1110251A1 publication Critical patent/EP1110251A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/886—Additional mechanical prestressing means, e.g. springs
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
    • F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
    • F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F02M63/0012—Valves
    • F02M63/0014—Valves characterised by the valve actuating means
    • F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • Piezo actuator for actuating a mechanical component
  • the invention relates to a piezo actuator for actuating a mechanical component, in particular for an injection injector for metering fuel in an internal combustion engine, according to the generic features of the main claim.
  • a piezo element can be constructed from a material with a suitable crystal structure using the so-called piezo effect. When an external electrical voltage is applied, the piezo element reacts mechanically. which, depending on the crystal structure and the contact areas of the electrical voltage, represents a push or pull in a predeterminable direction.
  • injection nozzles or valves for fuel metering of an internal combustion engine have pressure or control bolts which require high pressures and quick and precise reaction times.
  • Such an injection device is described, for example, in “Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”, VDI-Verlag 1987, 20th edition, pages 391, 392.
  • it is particularly important that the arrangement has the smallest possible diameter due to the small space available in the engine compartment of the internal combustion engine having .
  • the piezo actuator described at the outset for actuating a mechanical component, in particular for an injection injector for metering fuel in an internal combustion engine advantageously has an optimally dimensionable, in particular a very slim housing in which the piezo actuator is held.
  • the slim design also permits the arrangement of a central high-pressure connection for the fuel, particularly in the case of an injection system.
  • the piezo actuator which is held axially movably in a housing, is advantageously provided with at least one spring element, preferably a corrugated spring, which is preloaded in tension and which in the axial direction between the piezo element and an upper fixation is arranged in the housing.
  • the required preload can be applied to the piezo element, wherein actuation of the piezo actuator leads to an axial expansion of the piezo element and thus to an axial movement of the pressure pin against the force of the wave spring.
  • the at least one corrugated spring must take part in the stroke of the piezo element, but the stiffness of the corrugated spring should be very small in relation to the preload.
  • the piezo actuator is fixed at the upper end to the housing and enclosed with a tensioning strap as a tensioning arrangement, which is firmly connected at the upper end to a holder of the wave spring, so that the tensioning strap has a tensile force on the wave spring when the piezo actuator is axially expanded exercises.
  • a closed housing can also be provided here in a simple manner, which encloses the piezo element.
  • the piezo actuator can be fixed, for example, via a central bolt, which is firmly connected to the upper fixing of the corrugated spring, with two corrugated springs advantageously being arranged symmetrically on both sides of the bolt.
  • the piezo actuator can also be fixed by means of a fixing disk which bears on a fixing edge in the direction of the corrugated spring on the housing and through which the tensioning band can be guided in a movable manner.
  • FIG. 1 shows a section through a piezo actuator for actuating an injection injector for fuel metering in an internal combustion engine with two wave springs and a fixation of the piezo actuator with a bolt;
  • FIG. 2 shows a section through a piezo actuator in a modification of the example according to FIG. 1 with a wave spring and a fixation of the piezo actuator on a fixing edge of the housing and
  • Figure 3 shows another embodiment with a housing as a clamping device.
  • the piezo element 2 is constructed here from a quartz material with a suitable crystal structure, so that a mechanical reaction of the piezo element 2 takes place when an external electrical voltage is applied, using the so-called piezo effect. Due to the slim design of the piezo actuator 1 in the housing 3, a high-pressure line 4 for the fuel supply to an internal combustion engine is also arranged here.
  • the piezo element 2 is enclosed between a lower rounded pressure pin 5 with an actuating plunger 6 and an upper pressure pin 7.
  • corrugated springs 10 and 11 according to FIG. 1 are firmly connected, for example welded, to the disk 8 at one end and the plate 13 at the other end, and are fixed on the one hand by the fixation on the fixing edge 14 and the rigid connection via the bolt 12.
  • the pressure bolt 7, the piezo element 2, the tensioning band 8 and the washer 9, on the other hand, are subjected to a pretension in the pulling direction.
  • FIG. 2 A further exemplary embodiment according to FIG. 2 is provided with the same reference numerals with regard to parts having the same effect.
  • an upper pressure bolt 15 is designed as a fixing washer, which bears against a fixing edge 16 of the housing.
  • the bolt 12 necessary in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is thus dispensed with and a centrally arranged corrugated spring 17 can be provided.
  • the mode of operation here is the same as in the exemplary embodiment according to FIG. 1, it only being necessary to ensure that the tensile force of the strap 8 is transmitted to the disc 9 as a holder for the corrugated spring 17.
  • a closed housing 18 for the piezo element 2 is provided as a tensioning device for transmitting the tensile force.

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

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

Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Ein- spritzinjektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs .
Es ist allgemein bekannt, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts ein Piezoelement aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut werden kann. Bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung erfolgt eine mechanische Reaktion des Piezoelements . die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche 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 Verbrennungsmotors Druck- oder Steuerbolzen aufweisen, die hohe Drük- 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 Verbrennungsmotors einen möglichst geringen Durchmesser aufweist .
Vorteile der Erfindung
Der eingangs beschriebene Piezoaktor zur Betätigung eines mechanischen Bauteils, insbesondere für einen Einspritz - injektor zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor 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 Anordnung eines zentralen Hochdruckanschlusses für den Kraftstoff.
Zur Erzeugung einer notwendigen Vorspannung, die beispielsweise 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, bevorzugt 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 Piezoelement aufgebracht werden, wobei eine Betätigung des Piezoaktors zu einer axialen Ausdehnung des Piezoelements und damit zu einer axialen Bewegung des Druckbolzens gegen 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 Piezoaktors 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 Fixierung der Wellfeder fest verbunden ist, wobei hier in vorteilhafter 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 Weiterbildungen 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 mehreren 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:
Figur 1 einen Schnitt durch einen Piezoaktor zur Betätigung eines Einspritzinjektors zur Kraftstoffzumessung in einem Verbrennungsmotor mit zwei Wellfedern und einer Fixierung des Piezoaktors mit einem Bolzen;
Figur 2 einen Schnitt durch einen Piezoaktor in Abwandlung des Beispiels nach Figur 1 mit einer Well- feder und einer Fixierung des Piezoaktors an einer Fixierkante des Gehäuses und
Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Gehäuse als Spannvorrichtung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Darstellung nach Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 mit einem Piezoelement 2 in einem Gehäuse 3 gezeigt. Das Piezoelement 2 ist hier, wie an sich bekannt, aus einem Quarzmaterial mit einer geeigneten Kristallstruktur aufgebaut, 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 Gehäuse 3 ist hier noch eine Hochdruckleitung 4 für die KraftstoffZuführung zu einem Verbrennungsmotor angeordnet . Das Piezoelement 2 ist zwischen einem unteren abgerundeten Druckbolzen 5 mit einem Betätigungsstössel 6 und einem oberen Druckbolzen 7 eingefasst . Diese Anordnung wird umschlossen von einem Spannband 8, das oben an eine Scheibe 9 angeschweißt ist, die als Halterung für Wellfedern 10 und 11 als Federelemente dienen. Bei der Anordnung nach der Figur 1 ist ein Bolzen 12 vorhanden, der den oberen Druckbolzen 7 mit einer Platte 13 fest verbindet, die an einer Fixierkante 14 des Gehäuses 3 anliegt.
Die Wellfedern 10 und 11 nach der Figur 1 sind hierbei mit der Scheibe 8 an einem Ende und der Platte 13 am anderen Ende fest verbunden, beispielsweise angeschweißt, und werden durch die Fixierung an der Fixierkante 14 einerseits 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 Zugkraf auf die Scheibe 9 ausübt, die zu einer weiteren Zugbeanspruchung der Wellfedern 10 und 11 führt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist hinsichtlich gleich wirkender Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In Abwandlung zu der Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 3 ist als Spannvorrichtung für die Übertragung der Zugkraft ein geschlossenes Gehäuse 18 für das Piezoelement 2 vorhanden.

Claims

Patentansprüche
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 Piezoelement (2) und einer oberen Fixierung im Gehäuse (3) angeordnet ist, mit einer Spannanordnung (8; 18), die einen mit dem Piezoelement (2) verbundenen Druckbolzen (5) mechanisch 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) fixiert ist und mit einem Spannband (8) als Spannanordnung umschlossen ist, das am oberen Ende mit einer Halterung (9) des Federelements (10, 11; 17) fest verbunden ist, so dass das Spannband (8) bei einer axialen 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) fixiert ist und mit einem Gehäuse (18) als Spannanordnung umschlossen ist, das am oberen Ende mit einer Halterung (9) des Federelements (17) fest verbunden ist, so dass das Spannband (8) bei einer axialen Ausdehnung des Piezoelements (2) eine Zugkraft auf das Federelement (17) ausübt.
4) Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, 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 verbunden ist und dass zwei Federelemente (10,11) beidseitig des Bolzens (12) symmetrisch angeordnet sind.
5) Piezoaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung des Piezoaktors (1) über eine Fixierscheibe (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.
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