DE19902260C2 - Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden zunehmend Einspritzsysteme verwendet, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindig­ keiten gearbeitet wird. Der Einspritzvorgang wird dabei mit Hilfe eines Kraftstoffinjektors vorgenommen, bei dem ein e­ lektrisch angesteuerter Aktor ein Einspritzventil betätigt. Um ausreichend schnelle Schaltzeiten zu erzielen, hat sich vor allem der Einsatz piezoelektrischer Aktoren als vorteil­ haft erwiesen. Der Kraftstoffinjektor ist dabei im allgemei­ nen so ausgelegt, daß die im piezoelektrischen Aktor hervor­ gerufene Längenänderung auf ein Servoventil übertragen wird, das wiederum das Einspritzventil öffnet oder schließt. Damit die im µm-Bereich liegende Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors das Servoventil betätigen kann, wird diese Längsdeh­ nung entweder mechanisch durch einen im Kraftstoff gelagerten Hebelübersetzer oder hydraulisch durch einen Öldruckraum ver­ stärkt.

In der gattungsbildenden GB 21 93 386 A ist ein Kraftstoffinjektor mit einem piezoelektrischen Aktor und ei­ nem Servoventil gezeigt, bei dem die Längsdehnung des piezo­ elektrischen Aktors über einen mit Öl gefüllten Druckraum auf einen Servoventilkolben übertragen wird. Um den Druckraum da­ bei dicht zu halten und insbesondere auch den hochempfindli­ chen piezoelektrischen Aktor gegen eine Ölleckage, die Kurz­ schlüsse hervorrufen könnte, zu schützen, wird in der GB 21 93 386 A (Fig. 1 bis 3) vorgeschlagen, zwischen dem piezoelektrischen Aktor und dem Injektorgehäuse in Richtung der Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors einen Falten­ balg anzuordnen, der den Öldruckraum zwischen dem piezoelekt­ rischen Aktor und dem Servoventilkolben abgrenzt und den Ak­ tor vor einer Ölleckage schützt. Diese Ausführungsform zeich­ net sich jedoch durch einen hohen Platzbedarf aufgrund der senkrechten Anordnung des Federbalgs aus. Weiterhin führt der Federbalg zu einer ungewünschten Dämpfung der Aktorbewegung.

Eine Variante (Fig. 7) dieser Ausführungsform mit einem Fe­ derbalg zeigt zwar eine Abdichtung an der Bodenplatte des Ak­ tors mittels einer Ringdichtung, aber keine besondere Dicht­ maßnahmen zwischen dem Federbalg und der Innenseite des In­ jektorgehäuses.

Alternativ zu einem Federbalg ist deshalb in der GB 21 93 386 A eine weitere Ausführungsform des Stellantriebs für den Kraftstoffinjektor dargestellt, bei dem der Aktorboden mit einer Federstahlmembran eingefaßt ist, die den Öldruck­ raum vom piezoelektrischen Aktor trennt (Fig. 4 bis 6). Die Federstahlmembran ist weiterhin am Injektorgehäuse durch eine Schraubanordnung gesichert. Der Vorteil der Federstahl­ membran ist ein geringer Raumbedarf verbunden mit einer hohen Elastizität in bezug auf die Aktorlängsdehnung. Bei der in der GB 21 93 386 A gewählten Membrananordnung ist die Feder­ stahlmembran mit dem sich in den Öldruckraum erstreckenden Aktorboden seitlich fest verschweißt. Aufgrund der sehr kur­ zen Schaltzeiten des piezoelektrischen Aktors und der starken Materialbeanspruchung kann die Schweißnaht zwischen der Fe­ derstahlmembran und dem Aktorboden, insbesondere bei Unste­ tigkeiten aufgrund der Fertigung, aufgehen, so daß eine Ölle­ ckage und somit eine Beschädigung des piezoelektrischen Ak­ tors auftritt. Weiterhin ist auch die Schraubverbindung der Federstahlmembran mit dem Injektorgehäuse aufwendig zu ferti­ gen. Eine ähnliche Konstruktion mit seitlich verschweißter Membran ist der DE 40 05 455 A1 zu entnehmen.

Aus der DE 196 06 040 A1 ist darüber hinaus eine Klemm­ verbindung einer Membran in einer Stellantriebseinheit für eine Kraftstoffinjektor bekannt, wobei die Abdichtung am In­ jektorgehäuse mittels Ringdichtung, aber nicht an der Boden­ platte des Aktors erfolgt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stel­ lantrieb für einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, bei dem ein Aktor durch eine Membran zuverlässig vor Leckage ge­ schützt ist, und die Membran sich durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet.

Diese Aufgabe wird von einem Stellantrieb für einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Dieser Stellantrieb weist einen Aktor mit einer Boden­ platte auf, in deren Bodenfläche eine umlaufende Ringnut mit einer Ringdichtung vorgesehen ist, auf der die Membran auf­ liegt, wobei die Membran von einem Flachelement an der Boden­ fläche festgehalten wird. Durch diese Befestigungsanordnung der Membran an der Bodenplatte des Aktors wird für eine zu­ verlässige Abdichtung des Aktors gegen eine Leckage gesorgt, wobei es nicht erforderlich ist, die Membran mit einer Schweißverbindung direkt am Boden des piezoelektrischen Ak­ tors festzuhalten, die aufgrund der hohen Schaltgeschwindig­ keiten des Aktors großen Materialbelastungen ausgesetzt wäre. Der Aktor ist in dem ersten Abschnitt eines Gehäuses und das mit dem Aktor in Wirkverbindung stehende Servoventil in einem dem zweiten Abschnitt des Gehäuses einbracht, wobei die Befe­ stigungsanordnung der Membran den ersten und von dem zweiten Abschnitt dicht abtrennt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Außenbe­ reich der Bodenplatte des Aktors abgerundet um zu vermeiden, daß die Membran bei der aufgrund der Längsdehnung des Aktors hervorgerufenen Auslenkung an diesem Außenbereich beschädigt wird.

Weiterhin wird die Membran auch an der Injektorgehäuse­ wandung mit einer Klemmverbindung auf einer Ringdichtung festgehalten, da diese einfach zu fertigen ist und sich dar­ über hinaus durch eine große Haltbarkeit auszeichnet.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Querschnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors sowie ein vergrößerter Ausschnitt dieses Stellantriebs dargestellt.

Ein Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors setzt sich im wesentlichen aus einem Injektorkopfgehäuse 1 mit einer stu­ fenartig ausgebildeten Innenbohrung 11, einem piezoelektri­ schen Aktor 2 und einem Servoventil 3 zusammen. Der piezo­ elektrische Aktor 2 ist dabei aus mehreren übereinandergesta­ pelten piezoelektrischen Einzelelementen 21 aufgebaut, die in einem als Rohrfeder ausgebildeten Hohlkörper 22 angeordnet sind. Dieser Hohlkörper 22 ist form- und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise durch Anschweißen, jeweils mit einer Kopfplatte 23 und einer Bodenplatte 24 verbunden, die die aufeinanderge­ stapelten piezoelektrischen Aktorelemente 21 mit einer defi­ nierten Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorspannen. Zum Ansteuern der piezoelektrischen Einzelelemente 21 sind längs dieser Elemente Kontaktstifte (nicht gezeigt) angeordnet, die mit den Einzelelementen 21 leitend in Verbindung stehen und aus der Kopfplatte 23 herausragen. Diese Kontaktstifte werden in einem auf den Aktor aufgesetzten Aktoranschluß 4 mit einer Spannung belegt, die eine Längsdehnung beim piezoelektrischen Aktor 2 bewirkt. Der als Rohrfeder ausgebildete Hohlkörper 22 gewährleistet aufgrund seiner Elastizität, daß die im piezo­ elektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung von diesem Hohlkörper mitvollzogen wird.

Der piezoelektrische Aktor 2 ist weiter von einem Aktor­ gehäuse 25 eingefaßt, das am oberen Ende der stufig ausgebil­ deten Innenbohrung 11 im Injektorkopfgehäuse 1 fest einge­ spannt ist. Hierbei wird das Aktorgehäuse 25 mit seiner Stirnfläche 251 auf eine ringförmig umlaufende Auflagescheibe 51 gedrückt, die wiederum mit einer ringförmig umlaufenden Einstellscheibe 52 gegen einen Absatz 111 in der Innenbohrung 11 abgestützt ist. Das Aktorgehäuse 25 wird dabei von einer Hohlschraube 12 festgehalten, die mit einer Druckringnut 121 an einem um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 26 an­ greift und mit dem Injektorkopfgehäuse 1 verschraubt ist.

Die Bodenplatte 24 steht mit einem mittig angeordneten, vorzugsweise kreisrunden Aufsatz 241 über die Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 hinaus. Um diesen Aufsatz 241 herum ist, wie insbesondere die vergrößerte Detailansicht zeigt, eine dünne, scheibenförmige Membran 6 angeordnet, die sich längs der Bodenfläche 242 der Bodenplatte 24 von der Umfangswandung des Aufsatzes 241 bis zur Innenwandung des Injektorkopfgehäu­ ses 1 erstreckt. Die scheibenförmige Membran 6 wird dabei in ihrem Außenbereich zwischen der Auflagescheibe 51 und der Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 durch den von der Hohl­ schraube 12 auf das Aktorgehäuse 25 ausgeübten Anpressdruck geklemmt. Zur Abdichtung ist weiterhin in der Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 eine umlaufende Ringnut 252 vorgesehen, in der eine O-Ringdichtung 71 angeordnet ist, die aus einem elastischen Material oder Metall besteht und durch das Ein­ pressen in die Ringnut 252 so verformt wird, daß die Kontakt­ fläche mit der Membran 6 zuverlässig abgedichtet ist.

Die Membran 6 wird auf der Bodenfläche 242 der Boden­ platte 24, um den Aufsatz 241 herum, durch ein als Spannring ausgebildetes Flachelement 72 festgehalten, wobei der am Auf­ satz 241 anliegende Bereich der Membran 6 zwischen dem Spann­ ring 72 und der Bodenfläche 242 der Bodenplatte 24 einge­ klemmt wird. Der Spannring 72 kann weiterhin durch eine um­ laufende Schweißnaht 73 am Aufsatz 241 der Bodenfläche 24 ge­ sichert werden. Um die Kontaktfläche zwischen der Bodenplatte 24 und der Membran 6 abzudichten, ist in der Bodenfläche 242 eine umlaufende Ringnut 243 ausgebildet, in der eine aus ela­ stischem Material oder Metall bestehende O-Ringdichtung 74 angeordnet ist. Die O-Ringdichtung 74 wird aufgrund der durch den Spannring 72 erzeugten, axial und parallel zur Aktor­ längsachse gerichteten Vorspannung so verformt, daß die Mem­ bran 6 zuverlässig abgedichtet ist.

Die Membran 6 wird vorzugsweise aus Federstahl gefer­ tigt, das sich durch einen hohen Festigkeitskennwert aus­ zeichnet. Federstahl gewährleistet weiterhin eine ausreichen­ de Elastizität, so daß die Membran 6 die durch Elektrostrik­ tion im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung fast ohne Widerstand nachvollzieht.

Die durch Elektrostriktion im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung bewirkt, daß die Bodenplatte 24 mit dem Aufsatz 241 in die Innenbohrung 11 des Injektorkopf­ gehäuses 1 in Richtung auf die Führungsscheibe 52 vorgescho­ ben wird, wobei die Membran 6 ausgelenkt wird. Um zu verhin­ dern, daß bei der Auslenkung der Membran 6 durch die Boden­ platte 24 die Membran 6 an deren Außenkante 244 beschädigt wird, ist diese Außenkante 244 abgerundet. Der abgerundete Bereich der Bodenplatte 24 erstreckt sich dabei vorzugsweise von der Außenkante 244 bis zum Anliegebereich des Spannrings 72. Dieser abgerundete Bereich sorgt für eine optimierte Ver­ teilung der von der Bodenfläche 242 auf die Membran 6 ausge­ übten Auslenkkräfte und damit für eine schonende Belastung der Membran.

Um zu verhindern, daß die Membran 6 bei der durch den piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufenen Auslenkung an einer Innenkante 511 der Auflagescheibe 51 beschädigt wird, ist diese Innenkante 511 ebenfalls abgerundet. Die Abrundung der Innenkante 511 der Auflagescheibe 51 gewährleistet darüber hinaus auch ein optimiertes Abrollen der Membran 6 entlang der Auflagescheibe 51.

Die durch Elektrostriktion erzeugte Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors 2 wird von einem Hebelübersetzer 8 auf das Servoventil 3 übertragen und verstärkt, wobei der He­ belübersetzer 8 zwischen dem Aufsatz 241 der Bodenplatte 24 und einem Ventilkolben 31 des Servoventils 3 eingespannt und mit einem Schenkel auf einer in der Innenbohrung 11 des In­ jektorkopfgehäuses 1 angeordneten Auflagescheibe 53 abge­ stützt ist. Bei der Hebelbewegung wird der Hebelübersetzer 8 durch die Einstellscheibe 52 geführt, wobei die Form der Ein­ stellscheibe 52 so angepaßt ist, daß sie die Bewegung der Bo­ denplatte 242 mit dem Aufsatz 241 und dem um den Aufsatz um­ laufenden Spannring 72 beim Eindringen in die Innenbohrung 11 des Injektorkopfgehäuses 1 nicht behindert.

Die vom piezoelektrischen Aktor 2 mittels des Hebelüber­ setzers 8 auf den Ventilkolben 31 des Servoventils 3 übertra­ gene Bewegung wird dann im Kraftstoffinjektor zum Öffnen und Schließen eines Einspritzventils (nicht gezeigt) genutzt. Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors dringt der unter Druck stehende Kraftstoff bis zur Membran 6 unter dem piezoelektri­ schen Aktor 2 vor. Durch die erfindungsgemäße Auslegung die­ ser Membran 6, insbesondere ihre Befestigung mit Hilfe des Flachelements 72 auf der Bodenplatte 24 sowie die Abdichtung durch die beiden O-Ringdichtungen 71, 74 wird der piezoelek­ trische Aktor 2 zuverlässig vor einer Leckage des Kraftstoffs in das Aktorgehäuse 25 und damit einem eventuellen Kurzschluß im piezoelektrischen Aktor geschützt. Die gewählte Befesti­ gung der Membran 6 durch das als Spannring ausgebildete Fla­ chelement 72 sorgt weiterhin für ein zuverlässiges Festhalten auch bei hohen Schaltgeschwindigkeiten des piezoelektrischen Aktors 2.

Claims (7)

1. Kraftstoffinjektor mit einem Gehäuse (1), wobei
in einem ersten Abschnitt des Gehäuses (1) ein Aktor (2) mit einer Bodenplatte (24) angeordnet ist,
in einem zweiten Abschnitt des Gehäuses (1) ein Servo­ ventil (3) angeordnet ist,
zwischen der Bodenplatte (24) des Aktors (2) und dem Servoventil (3) eine Wirkverbindung (8) besteht, um eine Längsbewegung des Aktors im ersten Abschnitt des Gehäuses auf das Servoventil im zweiten Abschnitt des Gehäuses zu übertra­ gen, und
eine Membran (6) zwischen der Bodenplatte des Aktors und der Innenwandung des Gehäuses angeordnet ist und zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Gehäuses festgehalten ist, um den ersten Abschnitt mit dem Aktor von dem zweiten Ab­ schnitt mit dem Servoventil dicht abzutrennen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenplatte (24) an einer Bodenfläche (242) einen mittig angeordneten Aufsatz (241) aufweist, der die Wirkver­ bindung mit dem Servoventil (3) herstellt, wobei um den Auf­ satz (241) herum in der Bodenfläche (242) eine umlaufende Ringnut (243) mit einer Ringdichtung (74) eingebracht ist, auf der die Membran (6) aufliegt, wobei die Membran von einem um den Aufsatz (241) herum angeordneten Flachelement (72) an der Bodenfläche eingeklemmt wird.

2. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1, wobei das Flachele­ ment (72) als Spannring ausgebildet ist.

3. Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 2, wobei der Spannring (72) am Aufsatz (241) der Bodenplatte (24) festgeschweißt ist.

4. Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bodenfläche (242) der Bodenplatte (24) von einer Außenkante (244) bis zu einem Anliegebereich des Flachele­ ments (72) abgerundet ist.

5. Kraftstoffinjektor für einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 4, wobei die Außenkante (244) der Bodenplatte (24) abgerundet ist.

6. Kraftstoffinjektor für einen Kraftstoffinjektor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der dem zweiten Ab­ schnitt des Gehäuses (1) zugewandten Stirnfläche (251) eines Aktorgehäuses (25) eine Ringnut (252) mit einer Ringdichtung (71) vorgesehen ist, auf der die Membran (6) anliegt.

7. Kraftstoffinjektor für einen Kraftstoffinjektor gemäß An­ spruch 6, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Gehäuses (1) eine Auflagescheibe (51) angeordnet ist, die die Membran (6) auf der Stirnfläche des Aktorgehäuses (25) festklemmt, wobei die Innenkante (511) der Auflagescheibe ab­ gerundet ist.