WO2017060163A1 - Aktuator mit ventileinheit für piezoservobetriebenen injektor - Google Patents

Aktuator mit ventileinheit für piezoservobetriebenen injektor Download PDF

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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • 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
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/20—Closing valves mechanically, e.g. arrangements of springs or weights or permanent magnets; Damping of valve lift

Definitions

  • Actuator with piezo valve unit for servo-driven injector The present invention relates to an actuator with piezo Ven ⁇ tiliser for a servo-driven injector.
  • the present invention is based on the object, an actuator with valve unit for a piezoservo counselenen To provide injector available, which is particularly simple and thereby has an effective mode of operation on ⁇ .
  • an actuator with a valve unit for a piezo-piezo-driven injector which comprises the following components:
  • An interior housing forming an outer housing, extending through the interior of the outer housing and connected thereto solid bottom plate, extending through the bottom plate movable actuator housing within the outer housing, a disposed between the fixed bottom plate and a top plate of the movable actuator housing piezoelectric element, one with a valve seat cooperating movable Ven ⁇ tilelement, a force transmission device between the actuator housing and the movable valve element, a biasing the actuator housing in the direction of the valve element first biasing element and the power transmission device in the direction of the valve element biasing second biasing element, wherein by an increase in length of the piezoelectric element, the actuator housing against the first biasing element and thereby the power transmission device against the second biasing element for lifting the valve element from the valve seat is movable.
  • the solution according to the invention makes it possible to control a valve unit so that it works with the pressure and not against the pressure, this control being performed by a piezoactuator.
  • the inventively achieved reversal of the displacement of the valve element is achieved by the housing of the piezoelectric element that moves the force transmission device against the second biasing element at a length increase of the piezoelectric element so that the valve element is lifted in the direction of the applied pressure from the valve seat.
  • the piezoelectric element is supported on the fixed base plate and the top plate of the movable actuator housing, so that upon extension of the piezoelectric element a corresponding movement of the actuator housing is initiated.
  • the actuator housing extends through the solid bottom plate.
  • valve unit and thus the injector open by itself when the pressure in the system rises too much. In this way, a pressure relief valve can be avoided.
  • This valve position is stable and allows pressure reduction by generating dynamic leakage without injection. A pressure control valve is not needed.
  • the first biasing member urging the actuator housing against the valve opening direction is located outside of the actuator housing in this embodiment, thereby simplifying the overall construction of the actuator.
  • Piezoaktuators combined. In this way, a one ⁇ injection system can be designed without pressure relief valve or pressure control valve.
  • the force transmission device preferably comprises a valve piston, wherein this valve piston has a cooperating with the inner wall of the actuator housing end flange in a special embodiment.
  • the actuator housing when the piezo element is extended, the actuator housing is moved away from the valve unit, thereby moving the valve piston extending through its opening against the second biasing element, so that the valve element can open by the applied pressure. Conversely, upon contraction of the valve element, the actuator housing is moved toward the valve unit, whereby the valve piston, due to the force of the second biasing element, can again press the valve element against its seat to close the valve unit.
  • the inventively provided base plate through which the actuator housing extends is preferably fixed by a plurality of welds on the outer housing of the actuator. This is expediently carried out via projections of the base plate, so that slots are formed between the base plate and the outer housing, through which the actuator housing extends and can carry out its movement initiated by the piezoelectric element.
  • the outer housing and the actuator housing arranged therein are cylindrical, so that the slots are configured as round slots.
  • the bottom plate can preferably be fixed by two or four approaches by welding points on the outer housing, between each of which a slot is formed.
  • the power transmission device comprises a lever device to allow a corresponding loading of the valve element.
  • Figure 2 shows a horizontal section through the actuator with a
  • the actuator shown in Figure 1 in longitudinal section with valve ⁇ unit has an outer housing 1, which forms an interior, in which an actuator housing 2 is arranged up and down movable.
  • a bottom plate 4 is welded, as indicated by the welds 5.
  • the horizontal section shown in Figure 2 shows the bottom plate 4 in plan view, which is welded via two projections 12 via the welds 5 with the inner wall of the outer housing 1.
  • two semicircular slots 13 are formed in the bottom plate 4, through which the wall of the cylindrically shaped actuator housing 2 extends. The actuator housing 2 can thus move up and down through the slots 13 of the base plate 4.
  • the actuator housing 2 is closed at its end remote from the valve unit and has a top plate 14 there. At the opposite end, the actuator housing 2 has a central opening 6, through which a valve piston 7 extends, which has an inside the actuator housing 2 ange ⁇ arranged end flange 15. The end flange 15 engages behind the wall region of the actuator housing 2 arranged adjacent to the opening 6.
  • the valve piston 7 cooperates with a valve element 8, which cooperates with a valve seat 9.
  • the valve element 8 opens and closes a channel 16, via the fuel of a
  • Injection nozzle is supplied.
  • a piezoelectric element 3 is arranged between the top plate 14 of the actuator 2 and the fixed base plate 4, a piezoelectric element 3 is arranged.
  • a first biasing element 11 in the form of a spring pushes down the actuator housing 3 in Figure 1, and a second biasing element 10 is disposed between the valve piston 7 and the bottom plate 4 and pushes the valve piston 7 in Figure 1 down against the valve element 8 and this against the valve seat 9 to close the channel 16.
  • the actuator works in the following way:

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Abstract

Es wird ein Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor beschrieben. Der Aktuator besitzt ein Außengehäuse mit einer Bodenplatte sowie einem durch die Bodenplatte bewegbaren Aktuatorgehäuse, in dem ein Piezoelement angeordnet ist. Durch Auslängung des Piezoelementes wird das Aktuatorgehäuse bewegt und hebt dabei über eine Kraftübertragungseinrichtung ein Ventilelement von einem Ventilsitz ab. Das Ventilelement wird daher beim Öffnen in Richtung des anstehenden Drucks bewegt. Hierdurch wird eine bessere Steuerung des Ventils als beim Stand der Technik erreicht, da nicht gegen den anstehenden Druck gearbeitet werden muss.

Description

Beschreibung
Aktuator mit Ventileinheit für piezoservobetriebenen Injektor Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator mit Ven¬ tileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor.
Ein solcher Aktuator mit Ventileinheit ist bekannt. Bei einem standardmäßigen piezoservobetriebenen Injektor wird ein Ventil gegen den vorhandenen Druck beaufschlagt. Die Tatsache, dass das Piezoelement gegen diesen Druck arbeitet, führt zu einem „digitalen" Öffnen des Ventils. Sobald das Ventil geöffnet ist, nimmt der Druck hinter dem Ventil ab, so dass auch die auf das Piezoelement ausgeübte Kraft abnimmt. Hierdurch öffnet sich das Ventil weiter und nimmt der Druck weiter ab. Hierbei ist jedoch jede Ventilposition unstabil bzw. unbeständig, so dass es schwierig wird, das Ventil in einem kleinen Ventilverschie¬ bungsbereich zu steuern (hierbei handelt es sich um ein
Schlüsselmerkmal zur Realisierung einer dynamischen Leckage ohne Durchführung von Einspritzungen) . Dieser Effekt ist abhängig vom Druck. Bei einem kleinen Druck ist der Effekt gering, bei einem hohen Druck ist er groß.
Aufgrund dieser Tatsache ist ein standardmäßiger piezobe- triebener Injektor nicht in der Lage, einen Druckabfall im gesamten Druckbereich zu steuern. Diese Funktion muss von einer anderen Komponente ausgeführt werden.
Im Stand der Technik hat man hierzu ein spezielles Druck- Steuerventil verwendet. Auch wurde ein Druckbegrenzungsventil in Kombination mit einer dynamischen Leckage ohne Einspritzung eingesetzt, jedoch nicht im gesamten Druckbereich. Bei einer derartigen Kombination muss die Pumpe die permanente Leckage auch während Einspritzungen kompensieren, was jedoch zu einem nicht optimierten Kraftstoffverbrauch führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor zur Verfügung zu stellen, der besonders einfach ausgebildet ist und dabei eine effektive Funktionsweise auf¬ weist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor gelöst, der die folgenden Komponenten umfasst:
Ein einen Innenraum bildendes Außengehäuse, eine sich durch den Innenraum des Außengehäuses erstreckende und hiermit verbundene feste Bodenplatte, ein sich durch die Bodenplatte erstreckendes bewegliches Aktuatorgehäuse innerhalb des Außengehäuses, ein zwischen der festen Bodenplatte und einer Kopfplatte des beweglichen Aktuatorgehäuses angeordnetes Piezoelement , ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes bewegliches Ven¬ tilelement, eine Kraftübertragungseinrichtung zwischen Aktuatorgehäuse und beweglichem Ventilelement, ein das Aktuatorgehäuse in Richtung auf das Ventilelement vorspannendes erstes Vorspannungselement und ein die Kraftübertragungseinrichtung in Richtung auf das Ventilelement vorspannendes zweites Vorspannungselement, wobei durch eine Längenvergrößerung des Piezoelementes das Aktuatorgehäuse gegen das erste Vorspannungselement und dadurch die Kraftübertragungseinrichtung gegen das zweite Vorspannungselement zum Abheben des Ventilelementes vom Ventilsitz bewegbar ist. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, eine Ventileinheit so zu steuern, dass sie mit dem Druck und nicht mehr gegen den Druck arbeitet, wobei diese Steuerung von einem Piezoaktuator durchgeführt wird. Die erfindungsgemäß erreichte Umkehrung der Verschiebung des Ventilelementes wird durch das Gehäuse des Piezoelementes erreicht, das bei einer Längenvergrößerung des Piezoelementes die Kraftübertragungseinrichtung gegen das zweite Vorspannungselement so bewegt, dass das Ventilelement in Richtung des anstehenden Druckes vom Ventilsitz abgehoben wird. Dabei stützt sich das Piezoelement auf der fest installierten Bodenplatte und der Kopfplatte des beweglichen Aktuatorgehäuses ab, so dass bei einer Auslängung des Piezoelementes eine entsprechende Bewegung des Aktuatorgehäuses initiiert wird. Das Aktuatorgehäuse erstreckt sich dabei durch die feste Bodenplatte hindurch.
Mit einer derartigen Ausgestaltung öffnet sich die Ventileinheit und damit der Injektor von selbst, wenn der Druck im System zu stark ansteigt. Auf diese Weise kann ein Druckbegrenzungsventil vermieden werden. Diese Ventilposition ist stabil und ermöglicht eine Druckverringerung durch Erzeugung einer dynamischen Leckage ohne Einspritzung. Ein Drucksteuerventil wird nicht benötigt.
Das erste Vorspannungselement, das das Aktuatorgehäuse entgegen der Ventilöffnungsrichtung beaufschlagt, befindet sich bei dieser Ausführungsform außerhalb des Aktuatorgehäuses, wodurch insgesamt die Konstruktion des Aktuators vereinfach wird.
Erfindungsgemäß wird somit eine einfache und effiziente Lösung vorgeschlagen, bei der die Ventileinheit mit dem Druck arbeitet. Es werden die Vorteile eines typischen Solenoidventiles (Ro¬ bustheit, Stabilität) mit den Vorteilen eines typischen
Piezoaktuators kombiniert. Auf diese Weise kann ein Ein¬ spritzsystem ohne Druckbegrenzungsventil oder Drucksteuerventil konzipiert werden.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist das
Aktuatorgehäuse am der Ventileinheit zugewandten Ende eine Öffnung auf, durch die sich die Kraftübertragungseinrichtung erstreckt und die Innenwandung des Aktuatorgehäuses hinter¬ greift. Dabei umfasst die Kraftübertragungseinrichtung vorzugsweise einen Ventilkolben, wobei dieser Ventilkolben bei einer speziellen Ausführungsform einen mit der Innenwandung des Aktuatorgehäuses zusammenwirkenden Endflansch besitzt.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird bei einer Auslängung des Piezoelementes das Aktuatorgehäuse von der Ventileinheit wegbewegt und bewegt dabei den sich durch seine Öffnung erstreckenden Ventilkolben gegen das zweite Vorspannungselement, so dass das Ventilelement durch den anstehenden Druck öffnen kann. Umgekehrt wird bei einer Kontraktion des Ventilelementes das Aktuatorgehäuse in Richtung auf die Ven- tileinheit bewegt, wodurch der Ventilkolben aufgrund der Kraft des zweiten Vorspannungselementes das Ventilelement wieder gegen seinen Sitz pressen kann, um die Ventileinheit zu schließen.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Bodenplatte, durch die sich das Aktuatorgehäuse erstreckt, ist vorzugsweise durch mehrere Schweißpunkte am Außengehäuse des Aktuators fixiert. Dies erfolgt zweckmäßigerweise über Ansätze der Bodenplatte, so dass zwischen Bodenplatte und Außengehäuse Schlitze gebildet sind, durch die sich das Aktuatorgehäuse erstreckt und seine durch das Piezoelement initiierte Bewegung durchführen kann. Vorzugsweise sind das Außengehäuse und das darin angeordnete Aktuatorgehäuse zylindrisch ausgebildet, so dass die Schlitze als Rundschlitze ausgestaltet sind. Dabei kann die Bodenplatte vorzugsweise über zwei oder vier Ansätze durch Schweißpunkte am Außengehäuse fixiert sein, zwischen denen jeweils ein Schlitz ausgebildet ist.
Bei einer anderen Lösung der Erfindung umfasst die Kraftübertragungseinrichtung eine Hebeleinrichtung, um eine entsprechende Beaufschlagung des Ventilelementes zu ermöglichen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen : Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Aktuator mit Ventileinheit für einen piezoservobetriebenen Injektor; und
Figur 2 einen Horizontalschnitt durch den Aktuator mit einer
Draufsicht auf die vorgesehene Bodenplatte.
Der in Figur 1 im Längsschnitt dargestellte Aktuator mit Ventil¬ einheit besitzt ein Außengehäuse 1, das einen Innenraum bildet, in dem ein Aktuatorgehäuse 2 auf- und abbeweglich angeordnet ist. In das Außengehäuse 1 ist eine Bodenplatte 4 eingeschweißt, wie durch die Schweißstellen 5 angedeutet ist. Der in Figur 2 dargestellte Horizontalschnitt zeigt die Bodenplatte 4 in der Draufsicht, die über zwei Ansätze 12 über die Schweißstellen 5 mit der Innenwand des Außengehäuses 1 verschweißt ist. Zwischen den beiden Ansätzen 12 sind zwei halbrunde Schlitze 13 in der Bodenplatte 4 ausgebildet, durch die sich die Wandung des zylindrisch ausgebildeten Aktuatorgehäuses 2 erstreckt. Das Aktuatorgehäuse 2 kann sich somit durch die Schlitze 13 der Bodenplatte 4 auf- und abbewegen.
Das Aktuatorgehäuse 2 ist an seinem von der Ventileinheit abgewandten Ende geschlossen und weist dort eine Kopfplatte 14 auf. Am gegenüberliegenden Ende besitzt das Aktuatorgehäuse 2 eine zentrale Öffnung 6, durch die sich ein Ventilkolben 7 erstreckt, der einen im Inneren des Aktuatorgehäuses 2 ange¬ ordneten Endflansch 15 aufweist. Der Endflansch 15 hintergreift den benachbart zur Öffnung 6 angeordneten Wandungsbereich des Aktuatorgehäuses 2. Der Ventilkolben 7 wirkt mit einem Ventilelement 8 zusammen, das mit einem Ventilsitz 9 kooperiert. Das Ventilelement 8 öffnet und schließt einen Kanal 16, über den Kraftstoff einer
Einspritzdüse zugeführt wird.
Zwischen der Kopfplatte 14 des Aktuatorgehäuses 2 und der fest installierten Bodenplatte 4 ist ein Piezoelement 3 angeordnet. Ein erstes Vorspannungselement 11 in der Form einer Feder drückt das Aktuatorgehäuse 3 in Figur 1 nach unten, und ein zweites Vorspannungselement 10 ist zwischen dem Ventilkolben 7 und der Bodenplatte 4 angeordnet und drückt den Ventilkolben 7 in der Figur 1 nach unten gegen das Ventilelement 8 und dieses damit gegen den Ventilsitz 9, um den Kanal 16 zu schließen. Der Aktuator funktioniert in der folgenden Weise:
Wenn das Piezoelement 3 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, vergrößert sich seine Länge, wodurch das Aktuatorgehäuse 14 gegen das Vorspannungselement 11 in der Figur 1 nach oben bewegt wird. Hierdurch wird der Ventilkolben 7 gegen das Vorspannungselement 10 ebenfalls nach oben bewegt, wodurch das Ventilelement 8 vom Ventilsitz 9 abgehoben und der Kanal 16 geöffnet wird. Die Ventileinheit arbeitet somit mit dem im Kanal 16 anstehenden Druck und nicht gegen denselben, wenn das Ventil geöffnet wird.
Bei einem Schließen des Ventils wird die Spannungsbeaufschlagung des Piezoelementes 3 gestoppt. Es folgt dann eine Kontraktion desselben, wodurch das Aktuatorgehäuse 2 in der Figur 1 abwärts bewegt wird. Der Ventilkolben 7 wird dadurch vom Vorspannungselement 10 nach unten gegen das Ventilelement 8 gedrückt, so dass dieses gegen den Ventilsitz 9 gepresst und der Kanal 16 geschlossen wird. Das Öffnen der Ventileinheit erfolgt somit in Richtung des anstehenden Drucks mithilfe des Aktuators . Der als Kraftü¬ bertragungseinrichtung dienende Ventilkolben 7 wird vom Aktuatorgehäuse 2 betätigt, und zwar in Druckrichtung, wie vorstehend erwähnt.

Claims

Aktuator mit Ventileinheit für einen
piezoservobetriebenen Injektor mit einem einen Innenraum bildenden Außengehäuse (1), einer sich durch den Innenraum des Außengehäuses (1) erstreckenden und hiermit verbundenen festen Bodenplatte (4), einem sich durch die Bodenplatte (4) erstreckenden beweglichen Aktuatorgehäuse (2) innerhalb des Außen¬ gehäuses ( 1 ) , einem zwischen der festen Bodenplatte (4) und einer Kopfplatte (14) des beweglichen Aktuatorgehäuses (2) angeordneten Piezoelement (3) , einem mit einem Ventilsitz (9) zusammenwirkenden beweglichen Ventilelement (8), einer Kraftübertragungseinrichtung zwischen
Aktuatorgehäuse (2) und beweglichem Ventilelement (8), einem das Aktuatorgehäuse (2) in Richtung auf das Ventilelement (8) vorspannenden ersten Vorspannungs¬ element (11) und einem die Kraftübertragungseinrichtung in Richtung auf das Ventilelement (8) vorspannenden zweiten Vorspannungselement (10), wobei durch eine Längenvergrößerung des Piezoelementes (3) das Aktuatorgehäuse (2) gegen das erste Vorspan¬ nungselement (11) und dadurch die Kraftübertragungs¬ einrichtung gegen das zweite Vorspannungselement (10) zum Abheben des Ventilelementes (8) vom Ventilsitz (9) bewegbar ist.
2. Aktuator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorgehäuse (2) am der Ventileinheit zugewandten Ende eine Öffnung (6) aufweist, durch die sich die Kraftübertragungseinrichtung erstreckt und die Innenwandung des Aktuatorgehäuses (2) hintergreift.
3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung einen Ventilkolben (7) umfasst.
4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (7) einen mit der Innenwandung des Aktuatorgehäuses (2) zusammenwirkenden Endflansch (15) besitzt .
5. Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Vorspannungselement (10) zwischen Bodenplatte (4) und Endflansch (15) des Ventilkolbens (7) angeordnet ist .
6. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (4) über Ansätze (12) am Außengehäuse (1) fixiert ist, so dass zwischen Bodenplatte (4) und Außengehäuse (1) Schlitze (13) gebildet sind, durch die sich das Aktuatorgehäuse (2) erstreckt .
7. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungseinrichtung eine Hebeleinrichtung umfasst .
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