-
Stand der
Technik
-
Piezokeramische
Bauelemente gewinnen zunehmend an Bedeutung in mechatronischen Anwendungen,
insbesondere als Aktoren oder Sensoren. Bei Hochdruckkraftstoffeinspritzsystemen
für Brennkraftmaschinen
werden Piezoaktoren eingesetzt, um die Düsennadel sehr schnell und sehr
präzise
anzusteuern.
-
Im
Folgenden wird stellvertretend für
eine Vielzahl von Aktoren stets von Piezoinjektoren gesprochen,
obwohl die Erfindung naturgemäß nicht auf
Piezoinjektoren beschränkt
ist, sondern überall dort
mit Gewinn eingesetzt werden kann, wo ein Stellglied mit hoher Dynamik
und hoher Präzision über die
gesamte Lebensdauer des Aktors angesteuert werden muss.
-
Wegen
des kleinen Hubs von Piezoaktoren ist es bei vielen Anwendungen,
insbesondere bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoaktoren, erforderlich,
einen Koppler oder Stellwegvergrößerer vorzusehen,
welcher den Hub des Piezoaktors in eine ausreichend große Stellbewegung
umsetzt. Diese Koppler sind zum Beispiel als hydraulische Übersetzer
mit einem Stufenkolben ausgeführt.
Bei diesen Kopplern treten naturgemäß Leckagen auf, so dass der
Piezoaktor gegen Kraftstoff abgedichtet werden muss. Wenn das den
Piezoaktor umgebende Gehäuse
undicht wird, wird der Injektor funktionsunfähig.
-
Durch
die erforderliche Abdichtung des Piezoaktors und den aus einer Vielzahl
von Bauteilen bestehenden hydraulischen Druckübersetzer erhöhen sich
die Zahl der benötigten
Bauteile und die Herstellungskosten.
-
Des
Weiteren ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Piezoinjektoren
mit hydraulischem Druckübersetzer
die Bewegungsrichtung des Aktors und des Stellglieds gleichgerichtet,
so dass der Piezoaktor zum Schließen der Düsennadel bestromt werden muss.
Lediglich zum Öffnen
der Düsennadel
wird die an dem Piezoaktor anliegende Spannung reduziert. Dies bedeutet,
dass der Piezoaktor einen Großteil
seiner Betriebsdauer mit einem elektrischen Feld mit hoher Feldstärke belastet
wird, und nur während
der anteilsmäßig sehr
kurzen Einspritzugen stromlos ist. Dadurch wird der Piezoaktor elektrisch
und mechanisch stark beansprucht, und seine elektrische Leistungsaufnahme
ist relativ groß. In
Folge dessen verringert sich auch seine Lebensdauer.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem
Stand der Technik verbesserten Piezoaktor bzw. Piezoinjektor bereitzustellen,
der einfach aufgebaut ist, der kompakt baut und dessen elektrische
und mechanische Beanspruchung reduziert ist. Des Weiteren sollen
Zuverlässigkeit
und Lebensdauer des Piezoaktors verbessert werden.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
piezoelektrischen Aktor mit einem Stapel aus mehreren piezoelektrischen
Keramikschichten, wobei zwischen den Keramikschichten jeweils eine Elektrodenschicht
vorgesehen ist, mit einem von dem piezoelektrischen Aktor betätigten Stellglied
und mit einem zwischen Aktor und Stellglied angeordneten Koppler
dadurch gelöst,
dass der Aktor als Ringaktor mit einem ringförmigen Querschnitt ausgebildet ist,
dass das Stellglied koaxial zu dem Aktor angeordnet ist, dass der
Koppler ein erstes torusförmiges Koppelelement
und ein koaxial dazu angeordnetes zweites torusförmiges oder zylindrisches Koppelelement
umfasst, dass das erste Koppelelement und das zweite Koppelelement
hydraulisch miteinander in Verbindung stehen, und dass der Koppler
mit einem inkompressiblen Fluid, insbesondere Öl, gefüllt ist.
-
Vorteile der Erfindung
-
Durch
die koaxiale Anordnung und die Ausbildung des Piezoaktors als Ringaktor
ist die Bewegungsumkehr durch den Koppler auf einfache Weise möglich.
-
Dadurch
wird es möglich,
beispielsweise bei einem Piezoinjektor, den Aktor nur dann zu bestromen,
wenn Kraftstoff eingespritzt werden soll. Infolgedessen sinken die
elektrische und mechanische Belastung Piezoaktors deutlich und die
Lebensdauer des Piezoaktors nimmt zu.
-
Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ringaktors besteht darin,
dass wegen des großen Durchmessers
des mit dem Ringaktor zusammenwirkenden ersten Koppelelements schon
ein kleiner Hub des Piezoaktors zu einer erheblichen Volumenverdrängung bei
dem Koppler führt.
Infolgedessen kann ein hohes Übersetzungsverhältnis mit
dem Koppler realisiert werden. Dies bedeutet, dass entweder ein
sehr großer
Hub des Stellglieds erreicht werden kann oder es kann, falls der
Hub des Stellglieds ausreichend ist, die Baulänge des Piezoaktors verringert
werden. Dadurch ergeben sich erhebliche wirtschaftliche und fertigungstechnische
Vorteile.
-
Durch
die beiden koaxial zueinander angeordneten Koppelelemente ist es
auf einfache Weise wahlweise möglich,
mit dem Koppler die Bewegungsrichtung des Aktors umzukehren. Falls
gewünscht können die
Bewegungen des Aktors und des Stellglieds gleichgerichtet erfolgen.
-
Bei
einer vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass erste Koppelelement
zwei zylindrische Wände
umfasst und dass der von den Wänden
des ersten Koppelements eingeschlossene Raum durch eine kreisringförmige Deckplatte
begrenzt wird. Dadurch kann die Hubbwegung des Ringaktors auf einfache
und effiziente Weise in eine Volumenverdrängung des ersten Koppelelements
umgesetzt werden.
-
Entsprechendes
gilt für
das zweite Koppelelement. Zum Beispiel wenn das Stellglied durch
das zweite Koppelelement hindurchgeführt wird, empfiehlt sich die
Verwendung eine torusförmigen
zweiten Koppelelements. Andernfalls kann das zweite Koppelelement
auch als Zylinder mit nur einer Außenwand und einer kreisförmigen Deckplatte
ausgebildet werden. Dadurch kann die Zahl der Bauteile verringert
werden.
-
Bei
kleinen Aktorhüben
oder Stellwegen des Stellglieds kann die Übertragung und Umwandlung des
Aktorhubs in eine Stellbewegung des Stellglieds durch die Elastizität der zylindrischen
Wände der Koppelelemente
erfolgen.
-
Um
die Elastizität
der Koppelelemente zu erhöhen,
können
in weiterer Ausbildung des erfindungsgemäßen Kopplers zylindrischen
Wände des ersten
Koppelelements und/oder des zweiten Koppelelements als Faltenbalg
ausgeführt
sein. In diesem Fall ist die Übertragung
auch großer
Aktorhübe und
Stellwege des Stellglieds möglich,
ohne dass es zu unzulässig
hohen Dehnungen in den Wänden
der Koppelelemente kommt.
-
Zusätzlich können die
Deckplatten gekrümmt
ausgebildet sein. Dadurch können
die Deckplatten mindestens teilweise zur die Übertragung und Übersetzung
des Aktorhubs auf das Stellglied herangezogen werden.
-
Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Außenwand des ersten Koppelements,
die Innenwand des zweiten Koppelements und eine Bodenplatte durch
Umformen, insbesondere durch Tiefziehen, aus einem Stück hergestellt
werden. Durch Abstreiftiefziehen können dabei unterschiedliche
Wandstärken
der verschiedenen Bauteile realisiert werden.
-
Entsprechendes
gilt für
die Innenwand des ersten Koppelements, die Außenwand des zweiten Koppelements
und eine Zwischenplatte.
-
Die
verschiedenen Bauteile des Kopplers, insbesondere die Wände der
Koppelemente, die Deckplatten, die Bodenplatte und/oder die Zwischenplatte
werden in vorteilhafter Weise miteinander verschweißt. Dadurch
wird eine 100%ige Leckagefreiheit erreicht.
-
Üblicherweise
liegt bei einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktor eine Stirnseite des Ringaktors auf der Deckplatte des ersten
Koppelelements auf, während
das Stellglied auf der Deckplatte des zweiten Koppelelements aufliegt.
Dabei ist weiter eine Druckfeder vorgesehen, welche das Stellglied
in Anlage an dem Koppler hält.
-
Eine
bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors
ist die Anwendung in einem Injektor einer Brennkraftmaschine. In
diesem Fall ist das Stellglied eine Düsennadel des Injektors. Auf
ein hydraulisches Steuerventil kann – unter anderem wegen des großen Übersetzungsverhältnisses
des erfindungsgemäßen Kopplers – vollständig verzichtet
werden. Dadurch kann die Ansteuerung der Düsennadel mit größerer Dynamik
und Genauigkeit erfolgen. Des Weiteren werden Bauraum und Kosten
eingespart und wegen der verringerten Zahl der Bauteile auch die
Zuverlässigkeit erhöht.
-
Es
hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Druckfeder vorgesehen
ist, und die Druckfeder das Stellglied in Anlage an dem Koppler
hält. Dadurch
ist gewährleistet,
dass erstens das Stellglied den vom Piezoaktor vorgegebenen Stellbewegungen
unmittelbar folgt und zweitens, dass über den Koppler die von der
Druckfeder über
das Stellglied auf den Koppler ausgeübte Kraft den Ringaktor vorspannt.
Dadurch kann eine gesonderte Vorspanneinrichtung, wie beispielsweise
eine Rohrfeder, entfallen.
-
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale
können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
-
Zeichnungen
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Piezoaktors und
-
2 bis 5 Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Koppler.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Piezoaktors
im Längsschnitt
dargestellt. In 1 ist ein Piezoinjektor 1 dargestellt, der
einen erfindungsgemäßen Ringaktor 3 aufweist.
-
Der
Ringaktor 3 weist eine Vielzahl von Keramikschichten 5 auf,
zwischen denen jeweils eine Elektrodenschicht 7 beziehungsweise 9 angeordnet ist.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind nicht alle Keramikschichten und Elektrodenschichten mit Bezugszeichen
versehen. Die Elektrodenschichten 7 sind elektrisch mit
einer ersten Außenelektrode 11 verbunden,
während
die Elektrodenschichten 9 elektrisch mit einer zweiten
Außenelektrode 13 verbunden
sind. Die Wirkungsweise eines Piezoaktors sind hinlänglich bekannt,
so dass auf eine detaillierte Beschreibung in diesem Zusammenhang
verzichtet wird.
-
Von
Bedeutung für
die beanspruchte Erfindung ist, dass der Ringaktor 3 einen
ringförmigen Querschnitt
aufweist, so dass in seiner Mitte Platz für eine Hülse 15 vorhanden ist.
In der Hülse 15 ist
ein Hochdruckanschluss 17 vorgesehen. Eine Düsennadel 19 ragt
mit einem Kopf 21 in die Hülse 15.
-
Zwischen
einer Stirnseite 23 des Ringaktors 3 und dem Kopf 21 der
Düsennadel 19 ist
ein Koppler 25 angeordnet. In den 2 und 3 sind
verschiedene Ausführungen
des Kopplers 25 dargestellt. Zum besseren Verständnis der
Funktion des erfindungsgemäßen Piezoaktors 1 werden
Aufbau und Funktion des Kopplers 25 anhand der 2 und 3 erläutert.
-
Der
Koppler 25 umfasst ein erstes Koppelelement 27 und
ein zweites Koppelelement 29. Das erste Koppelelement 27 umfast
eine Außenwand 31 und
eine Innenwand 33 sowie eine Deckplatte 35. Die
Außenwand 31 und
die konzentrisch dazu angeordnete Innenwand 33 werden durch
die kreisringförmige
Deckplatte 35 miteinander verbunden. Bevorzugt wird die
Deckplatte 35 an der Außenwand 31 und an
der Innenwand 33 flüssigkeitsdicht
festgeschweißt.
Auf der Deckplatte 35 liegt die Stirnfläche 23 des Ringaktors
(siehe 1) auf. Sobald der Ringaktor 3 bestromt
wird, dehnt er sich aus und drückt
die Deckplatte 35 in Richtung des Pfeils 43.
-
Das
zweite Koppelelement 29 weist prinzipiell den gleichen
Aufbau wie das erste Koppelelement 27 auf. Es hat eine
Außenwand 37,
eine Innenwand 39 und eine ringförmige Deckplatte 41.
-
Da
das erste Koppelelement 27 einen größeren Durchmesser als das zweite
Koppelelement 29 aufweist und der Innenraum des Kopplers 25,
wie durch die Schraffur in 2 angedeutet,
vollständig und
ohne Lufteinschluss mit Öl,
insbesondere mit Hydrauliköl,
gefüllt
ist, wird der Aktorhub beziehungsweise die Bewegung der Deckplatte 35 des
ersten Koppelelements 27 durch das Hydrauliköl auf die zweite
Deckplatte 41 des zweiten Koppelelements 29 übertragen.
Die Bewegung der Deckplatte 41 des zweiten Koppelelements 29 ist
durch die Pfeile 45 angedeutet. Das Übersetzungsverhältnis des
Kopplers 25 ist durch die unterschiedlichen Längen der
Pfeile 43 und 45 angedeutet.
-
Die
hydraulische Verbindung zwischen dem ersten Koppelelement 27 und
dem zweiten Koppelelement 29 wird durch eine ringförmige Bodenplatte 47 und
eine ringförmige
Verbindungsplatte 49 hergestellt. Die Bodenplatte 47 sowie
die Außenwand 31 des
ersten Koppelelements 27 und die Innenwand 39 des
zweiten Koppelelements 29 können einstöckig beispielsweise durch Tiefziehen
hergestellt werden. Entsprechendes gilt für die Innenwand 33 des
ersten Koppelelements 27, die Zwischenplatte 49 und
die Außenwand 37 des
zweiten Koppelelements 29. Alternativ können die Bauteile auch einzeln
hergestellt und anschließend
verschweißt
werden. Durch Aufschweißen
der Deckplatten 35 und 41 entsteht dadurch ein
hermetisch abgeschlossener Innenraum in dem Koppler 25,
der in 2 gepunktet dargestellt ist.
-
Dieser
Innenraum (ohne Bezugszeichen) wird mit Öl, insbesondere Hydrauliköl, so gefüllt, dass keine
Luftblasen vorhanden sind. Weil Öl
nahezu vollständig
inkompressibel ist, wird jede vom Hub des Piezoaktors verursachte
Verdrängung
von Öl
im Bereich des ersten Koppelelements 27 in eine Expansion
des zweiten Koppelelements 29 umgesetzt. Dabei ist das
im ersten Koppelelement 27 verdrängte Volumen genauso groß wie die
Expansion des zweiten Koppelelements 29. Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 2 und 3 erfolgt
gleichzeitig mit der Übersetzung
eine Umkehr der Bewegungsrichtung.
-
Je
nach verwendetem Werkstoff, vorzugsweise einem Metall mit geeigneten
mechanischen Eigenschaften, dem Hub des Piezoaktors sowie dem erforderlichen
Weg des Stellglieds können
die Außenwände 31 und 37 sowie
die Innenwände 33 und 39 des
ersten und des zweiten Koppelelements 27 und 29 als
zylindrischer Rohrabschnitt ausgeführt werden, wie dies in 2 dargestellt
ist. Dies ist eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Lösung, die
gleichzeitig auch noch den Vorteil birgt, dass das Koppelelement 25 in
radialer Richtung sehr steif ist.
-
Wenn
jedoch die Dehnung im Bereich des ersten Koppelelements 27 und
des zweiten Koppelelements 29 durch den Hub des Piezoaktors
zu groß wird,
kann es zu Rissen kommen. In diesen Fällen ist es vorteilhaft, die
Außenwände 31 und 37 und/oder die
Innenwände 33 und 39 der
Koppelelemente 27 und 29 als Faltenbalg auszubilden.
In 3 sind beispielhaft die Außenwand 37 und die
Innenwand 39 des zweiten Koppelelements 29 als
Faltenbalg ausgebildet. Falls erforderlich, können selbstverständlich auch
die Außenwand 31 und
die Innenwand 33 des ersten Koppelelements 27 als
Faltenbalg ausgebildet werden.
-
In 1 ist
unterhalb des Kopplers 25 eine Führungshülse 51 sowie eine
Spannmutter 53 vorgesehen. In der Spannmutter 53 ist
ein Düsennadelsitz 55 mit
einem oder mehreren Spritzlöchern 57 ausgebildet.
-
Eine
Druckfeder 59, die sich einenends am Kopf 21 der
Düsennadel 19 und
anderenends an einem Absatz 61 in der Hülse 15 abstützt, drückt die Düsennadel 19 gegen
den Düsennadelsitz 55.
Dadurch wird der Injektor 1 geschlossen, und es findet keine
Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine statt.
-
Die
Hülse 15 dichtet
gleichzeitig auch den Ringaktor 3 gegen den im Hochdruckanschluss 17 vorhandenen
Kraftstoff ab. Dadurch muss der Ringaktor 3 nicht in einem
separaten flüssigkeitsdichten Gehäuse eingeschlossen
werden. Dadurch wird unter anderem auch die Wärmeabfuhr verbessert.
-
Die
Spannmutter 51 ist mit einem Düsenhalter 58 verschraubt,
der an seinem in 1 oberen Ende sowohl den Ringaktor 3 als
auch die Hülse 15 in
axialer Richtung fixiert. Durch das Anziehen der Spannmutter 53 kann
die erforderliche Vorspannung des Ringaktors 3 eingestellt
werden.
-
Der
im Hochdruckanschluss 17 der Hülse anstehende Kraftstoff wird
bis in einen Druckraum 63 der Spannmutter 53 geleitet.
Die Führung
des Kraftstoffs durch die Düsennadel 19 hindurch
oder an dieser vorbei und durch die Führungshülse 51 hindurch ist
in 1 nicht im Detail dargestellt. Im Übrigen ist die
Erfindung selbstverständlich
nicht auf die in 1 beispielhaft dargestellte
konstruktive Ausgestaltung des unterhalb des Kopplers 25 befindlichen
Teils des Piezoaktors 1 beschränkt.
-
Wenn
nun der erfindungsgemäße Ringaktor 3 bestromt
wird, dehnt er sich aus und drückt
das erste Koppelelement 27 des Kopplers 25 zusammen. Durch
den dadurch im Koppler 25 entstehenden Druckanstieg dehnt
sich das zweite Koppelelement 29 gegen die Anpresskraft
der Druckfeder 59 aus. Infolgedessen hebt die Düsennadel 19 vom
Düsennadelsitz 55 ab
und gibt die Spritzlöcher 57 frei.
In diesem Augenblick erfolgt eine Einspritzung von Kraftstoff in
den nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine.
-
Sobald
die Bestromung des Ringaktors 3 unterbrochen wird, verringert
der Ringaktor 3 seine Länge
und die Druckfeder 59 schließt die Düsennadel 19 wieder.
Somit wird die Einspritzung beendet.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Injektor 1 kann auf
ein hydraulisches Servoventil verzichtet werden, da über den
erfindungsgemäßen Koppler 25 erstens der
Hub des Piezoringaktors 3 ausreichend vergrößert wird
und zweitens eine Bewegungsumkehr erfolgt. Dadurch ist es möglich, bei
geschlossener Düsennadel 19 den
Ringaktor 3 stromlos zu schalten und lediglich in den kurzen
Zeitintervallen, während derer
Einspritzungen erfolgen, den Ringaktor 3 zu bestromen.
Dadurch verringert sich die elektrische Leistungsaufnahme des erfindungsgemäßen Ringaktors 3,
und die Lebensdauer des Ringaktors 3 nimmt zu.
-
Der
erfindungsgemäße Koppler 3 kann
auch, falls dies erforderlich ist, eine Wegvergrößerung oder eine Kraftverstärkung ohne
Bewegungsumkehr vornehmen. In den 3 und 4 sind
Ausführungsbeispiele
solcher Koppler dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen
den Ausführungsbeispielen
gemäß 2 und 3 sowie 4 und 5 ist,
dass bei den Ausführungsbeispielen
gemäß 4 und 5 die
Stellbewegung des zweiten Koppelelements 29 gleichgerichtet
ist wie der Hub des Ringaktors 3. Diese Gleichrichtung
der Bewegungen wird dadurch erreicht, dass das zweite Koppelelement 29 gegenüber den
Ausführungsbeispielen
gemäß der 2 und 3 "auf den Kopf" gestellt wird.
-
Dies
gilt auch für
das Ausführungsbeispiel gemäß 5.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 ist
das zweite Koppelelement nicht als torusförmiges Koppelelement 29 ausgebildet,
sondern als zylindrisches Koppelelement, bei dem lediglich eine Außenwand 37 vorhanden
ist. Dieses Ausführungsbeispiel
ist dann vorteilhaft, wenn das Stellglied (nicht dargestellt) nicht
durch den Koppler 25 hindurchgeführt werden muss.