Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem piezoelektrischen Aktormodul,
insbesondere zur Betätigung eines Ventils zum Steuern von
Flüssigkeiten bei einem Kraftstoffeinspritzventil, gemäß
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten
Art aus.
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Ein solches piezoelektrisches Aktormodul ist aus der Praxis
bekannt und wird beispielsweise bei einem Common-Rail-
Injektor zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in einen
Verbrennungsraum einer Verbrennungsmaschine eingesetzt.
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Das piezoelektrische Aktormodul ist Bestandteil einer
Ventilsteuereinheit des Kraftstoffeinspritzventils, mittels
welcher eine in einem Düsenmodul angeordnete Düsennadel
betätigbar ist, die mit zu dem Verbrennungsraum der
Verbrennungsmaschine führenden Einspritzungsöffnungen in
Wirkverbindung steht, und umfaßt einen Aktorfuß, einen Aktor und
einen Aktorkopf.
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Die Ventilsteuereinheit umfaßt des weiteren einen
sogenannten Stellkolben, der über den Aktorkopf mittels des
piezoelektrischen Aktormoduls verschiebbar ist und der über
einen hydraulischen Koppler mit einem sogenannten
Betätigungskolben in Wirkverbindung steht, der mit einem mit
einem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließglied
verbunden ist.
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Eine mögliche toleranzbedingte Schrägstellung des
Aktorkopfes ist bei dem bekannten Aktormodul mittels eines Stiftes
ausgeglichen, der zwischen dem Aktorkopf und dem als
Stelleinheit dienenden Stellkolben angeordnet ist und in eine
Ausnehmung des Stellkolbens eingreift, die an der dem
Aktormodul zugewandten Stirnseite angeordnet ist.
Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul,
insbesondere zur Betätigung eines Ventils zum Steuern von
Flüssigkeiten bei einem Kraftstoffeinspritzventil, mit den
Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei
welchem dem Aktorkopf eine im wesentlichen kugelförmig
gekrümmte Fläche zugeordnet ist, über welche das
piezoelektrische Bauelement auf die Stelleinheit wirkt, hat den
Vorteil, daß es aufgrund der kugelförmig gekrümmt
ausgebildeten Fläche möglich ist, eine geringe Bauhöhe im
Kraftübertragungsbereich zwischen dem piezoelektrischen Bauelement
und der Stelleinheit zu ermöglichen. Dadurch ist bei den
piezoelektrischen Aktormodul nach der Erfindung ein
gegenüber dem Stand der Technik kleinerer axialer Einbauraum
erforderlich.
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Das Aktormodul nach der Erfindung kann als Bestandteil
einer Ventilsteuereinheit eines Kraftstoffeinspritzventils
für einen Verbrennungsmotor ausgebildet sein. In diesem
Fall ist die Stelleinheit bevorzugt als Stellkolben
ausgebildet, der über einen hydraulischen Koppler mit einem
Betätigungskolben in Wirkverbindung steht, mittels dem
wiederum ein Ventilschließglied betätigbar ist. Mittels der
Ventilsteuereinheit ist eine in einem Injektormodul des
Kraftstoffeinspritzventils angeordnete Düsennadel
betätigbar, die mit zu einem Verbrennungsraum führenden
Einspritzungsöffnungen zusammenwirkt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Aktormoduls nach
der Erfindung ist die kugelförmig gekrümmte Fläche direkt
an dem Aktorkopf ausgebildet. Diese Ausführungsform, die
mit wenigen Bauteilen realisierbar ist, gestaltet sich als
montagefreundlich.
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Der Aktorkopf ist beispielsweise ein Drehteil, wobei die
kugelförmig gekrümmte Fläche direkt an den Aktorkopf
angedreht sein kann.
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Nach einer alternativen Ausführungsform ist die im
wesentlichen kugelförmig gekrümmte Fläche an der Stelleinheit
ausgebildet. Die kugelförmig gekrümmte Fläche bildet dann
die in Richtung des piezoelektrischen Bauelements weisende
Stirnseite der Stelleinheit und greift an dem Aktorkopf an.
Bei dieser Ausführungsform, die kostengünstig herstellbar
ist, ist ein Stellkolben der Stelleinheit, der die
kugelförmig gekrümmte Fläche aufweist, in einem Arbeitsgang von
der Stange fertig schleifbar.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die kugelförmig
gekrümmte Fläche von einer Kugel gebildet. Diese Kugel ist
dann zweckmäßigerweise mittels entsprechend ausgebildeter
Sitze in radialer Richtung zwischen dem Aktorkopf und der
Stelleinheit fixiert. Die Kugel liegt bevorzugt lose an dem
Aktorkopf an. Die Kugel kann sehr klein und nahezu
vollständig von der Stelleinheit und dem Aktorkopf aufgenommen
sein.
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Die kugelförmig gewölbte Fläche greift vorzugsweise in
einen im wesentlichen kegelförmigen Sitz ein, der je nach
Ausführungsform der Stelleinheit oder dem Aktorkopf
zugeordnet ist. Dadurch ist eine konstruktiv einfache radiale
Fixierung bzw. Zentrierung des Aktorkopfes und damit des
piezoelektrischen Bauelementes möglich.
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Um eine geringe Flächenpressung zwischen der kugelförmig
gekrümmten Fläche und dem kegelförmigen Sitz zu erreichen,
ist der kegelförmige Sitz bevorzugt in der der kugelförmig
gekrümmten Fläche abgewandten Richtung, d. h. konkav
gewölbt. Der Krümmungsradius dieser Wölbung ist
zweckmäßigerweise etwas größer als derjenige der kugelförmig gekrümmten
Fläche. Durch die Wölbung kann eine geringe Flächenpressung
zwischen der kugelförmig gekrümmten Fläche und dem
kugelförmigen Sitz erreicht werden, was zu einer geringen
Verformung der betreffenden Bauteile bei Beanspruchung führt.
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Um beispielsweise bei einer Steuereinheit eines
Einspritzventils einen zwischen einem als Stelleinheit dienenden
Stellkolben und einem Betätigungskolben liegenden
hydraulischen Koppler hinsichtlich seiner Größe und seiner Lage
einstellen zu können, liegt bei einer bevorzugten
Ausführungsform des piezoelektrischen Aktormoduls nach der
Erfindung die kugelförmig gekrümmte Fläche an einem der
Stelleinheit zugeordneten Einstellstück an. Wenn die
kugelförmig gekrümmte Fläche an der Stelleinheit ausgebildet ist,
ist das Einstellstück dem Aktorkopf zugeordnet. Das
Einstellstück kann beispielsweise scheibenförmig ausgebildet
sein und einen Sitz für die kugelförmig gekrümmte Fläche
aufweisen. Je nach gewünschter Lage des Stellkolbens und
damit des hydraulischen Kopplers kann eine Scheibe
entsprechender Dicke eingesetzt werden.
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Entsprechend kann bei der Ausführungsform, bei der die
kugelförmig gekrümmte Fläche von einer Kugel gebildet ist, je
nach gewünschter Lage des Stellkolbens eine Kugel mit
entsprechendem Radius eingesetzt werden. Die Kugel dient in
diesem Fall als Einstellstück.
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Zur radialen Fixierung des Einstellstücks weist dieses
bevorzugt eine Bohrung auf, in welche ein Zapfen der
Stelleinheit bzw. des Aktorkopfes ragt.
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Um zu gewährleisten, daß auf das piezoelektrische
Bauelement keine die Funktionsfähigkeit beeinträchtigenden
Biegemomente wirken, stützt sich der Aktorfuß auf vorteilhafte
Weise über eine an einer Schulter ausgebildete abgerundete
Kante an dem Gehäuse ab.
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In zweckmäßiger Weise wirkt die abgerundete Kante mit einem
im wesentlichen kegelförmigen Sitz zusammen, der an dem
Gehäuse ausgebildet ist. Dieser Sitz kann konkav gewölbt
ausgebildet sein.
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Durch die Ausbildung des Aktorfußes mit einer sich an dem
Gehäuse abstützenden abgerundeten Kante kann bei einem
Einspritzventil gewährleistet werden, daß das den Aktor
bildende piezoelektrische Bauelement exakt gegenüber einer
zwischen der Ventilsteuereinheit und einem Injektormodul
angeordneten Ventilplatte ausgerichtet ist.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des
Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der
Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
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Drei Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Aktormoduls
nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine
Ventilsteuereinheit eines Einspritzventils;
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Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine
alternative Ausführungsform einer Ventilsteuereinheit eines
Einspritzventils; und
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Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer
Ventilsteuereinheit.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In Fig. 1 ist eine Ventilsteuereinheit 1 eines
Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, welches zum Einbau in eine
nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
vorgesehen ist und hier als Common-Rail-Injektor zur
Einspritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff ausgebildet
ist.
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Das Kraftstoffeinspritzventil umfaßt neben der
Ventilsteuereinheit 1 ein nicht näher dargestelltes Düsenmodul, in
welchem eine axial verschiebbare Düsennadel angeordnet ist,
die mit sogenannten Einspritzöffnungen, die zu einem
Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine führen, in
Wirkverbindung steht. Das Ventilsteuermodul 1 dient zur Betätigung
der Düsennadel.
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In der Ventilsteuereinheit 1 ist ein sogenanntes
piezoelektrisches Aktormodul 2 angeordnet, welches zur Betätigung,
d. h. zur axialen Verschiebung eines als Stelleinheit
dienenden Stellkolbens 3 dient. Der Stellkolben 3 ist über
einen nicht dargestellten, als Hydraulikkammer ausgebildeten
hydraulischen Koppler mit einem ebenfalls nicht
dargestellten Betätigungskolben gekoppelt. Der Betätigungskolben ist
mit einem Ventilschließglied verbunden, das mit einem
Ventilsitz zusammenwirkt und bei dessen Betätigung eine
Druckveränderung in einem Ventilsteuerraum ausgelöst wird,
wodurch die Düsennadel eine axiale Verschiebung erfährt, so
daß die Einspritzöffnungen geöffnet bzw. geschlossen
werden.
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Das Aktormodul 2 ist in einer axialen Bohrung 5 eines als
Ventilhalter dienenden Gehäuses 4 angeordnet und umfaßt ein
piezoelektrisches Bauelement 6, das den sogenannten Aktor
darstellt und beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine
axiale Längung erfährt.
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Der Aktor 4 stützt sich über einen Aktorfuß 7 an dem
Ventilhalter 4 ab. Der Aktorfuß 7 weist hierzu eine an einer
Schulter 8 ausgebildete, abgerundete Kante 9 auf, die
ringförmig ausgebildet ist und an einem an dem Ventilhalter 4
ausgebildeten, im wesentlichen kegelartigen Sitz 10
anliegt. Der kegelartig ausgebildete Sitz 10 ist mit einer
leichten Wölbung versehen, die konkav, d. h. in der dem
Aktorfuß 7 abgewandten Richtung ausgebildet ist. Die Wölbung
des Sitzes 10 hat einen Krümmungsradius, der etwas größer
als derjenige der Rundung der Kante 9 ist.
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An der dem Aktorfuß 7 abgewandten Seite schließt sich an
den Aktor 6 ein Aktorkopf 11 an, der zur Übertragung einer
Längenveränderung des Aktors 6 auf den Kolben 3 dient. Der
Aktorkopf 11 ist in einem das Düsenmodul 2 dichtenden
Metallbalg 16 verschiebbar geführt.
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Der Aktorkopf 11 weist an der dem Aktor 6 abgewandten Seite
einen Kegelsitz 12 auf, in welchem eine Kugel 13 angeordnet
ist. Die Kugel 13 greift in einen weiteren Kegelsitz 14
ein, der an der dem Aktormodul 2 zugewandten Stirnseite des
Stellkolbens 3 ausgebildet ist. Die Kugel 13 bildet eine
kugelförmig gekrümmte Stirnseite 17, die dem Aktorkopf 11
zugeordnet ist und mittels der der Aktor 6 auf den
Stellkolben 3 wirkt.
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Der Kegelsitz 14 ist mit einer leichten Wölbung
ausgebildet, deren Krümmungsradius etwas größer als derjenige der
Kugel 13 ist. Dadurch wird eine geringe Flächenpressung
zwischen der Kugel 13 und dem Kegelsitz 14 erreicht.
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Die Lage des Stellkolbens 3 und damit die Größe des
hydraulischen Kopplers ist über den Durchmesser der Kugel 13
einstellbar.
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Des weiteren ist in dem Ventilhalter 4 ein
Kraftstoffzufuhrkanal 15 ausgebildet, der mit einer nicht dargestellten
Hochdruckpumpe verbunden ist und zu dem Düsenmodul führt.
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In Fig. 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer
Ventilsteuereinheit 30 eines Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt, das zum Einbau in eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
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Die Ventilsteuereinheit 30 unterscheidet sich von der
Ventilsteuereinheit nach Fig. 1 dadurch, daß sie einen
Aktorkopf 31 aufweist, der eine einem Stellkolben 32 zugewandte
Stirnseite 33 hat, die eine kugelförmige Krümmung mit einem
Krümmungsradius r1 aufweist.
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Die Stirnseite 33 des Aktorkopfes 31 wirkt mit einem im
wesentlichen kegelförmigen Sitz 34 zusammen, der in einem dem
Stellkolben 32 zugeordneten, scheibenförmig ausgebildeten
Einstellstück 35 ausgebildet ist. Das Einstellstück 35
bildet die dem Aktormodul 2 zugewandte Stirnseite des
Stellkolbens 32. Das Einstellstück 35 dient zur Einstellung der
Lage des Stellkolbens 32 und damit der Größe des
hydraulischen Kopplers, über den der Stellkolben 32 mit dem
Betätigungskolben gekoppelt ist.
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Der Kegelsitz 34 ist in der dem Aktorkopf 31 abgewandten
Richtung leicht gewölbt. Die Wölbung hat einen
Krümmungsradius r2, der etwas geringer als der Krümmungsradius r1 der
Stirnseite 33 des Aktorfußes 31 ist.
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Zur radialen Fixierung des Einstellstücks 35 ist in dem
Einstellstück 35 eine axiale Bohrung 36 ausgebildet, in
welche ein axial ausgerichteter Zapfen 37 des Stellkolbens
32 eingreift.
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In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Ventilsteuereinheit 40 eines Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt.
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Die Ventilsteuereinheit 40 unterscheidet sich von
derjenigen nach Fig. 2 dadurch, daß sie einen Stellkolben 41
aufweist, der eine als im wesentlichen kugelförmig gekrümmte
Fläche ausgebildete Stirnseite 42 hat. Die Stirnseite 42liegt an einem im wesentlichen kegelförmigen Sitz 43 an,
der an einem Einstellstück 44 ausgebildet ist, welches
einem Aktorkopf 45 eines hier nicht dargestellten
piezoelektrischen Aktormoduls zugeordnet ist und zur Einstellung der
Lage des Stellkolbens 41 und damit der Größe des
hydraulischen Kopplers dient, über den der Stellkolben 41 mit einem
Betätigungskolben gekoppelt ist. Der Kegelsitz 43 ist in
der der Stirnseite 42 abgewandten Richtung leicht gewölbt.
Der Krümmungsradius der Wölbung ist etwas geringer als der
Krümmungsradius der Stirnseite 42 des Stellkolbens 41.
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Zur radialen Fixierung des Einstellstücks 44 ist an dem
Einstellstück eine axiale Bohrung 46 ausgebildet, in welche
ein axial ausgerichteter Zapfen 47 des Aktorkopfes 45
eingreift.