ES2330740T3 - Modulo actuador piezoelectrico y procedimiento para el montaje de un modulo actuador piezoelectrico. - Google Patents

Abstract

Módulo actuador piezoeléctrico, que comprende al menos un elemento piezoeléctrico (6), una pata de actuador (5) y una cabeza de actuador (7), que colabora con un componente que puede ser activado por el elemento piezoeléctrico (6), en el que el módulo actuador (2; 20; 30; 40) está rodeado por un casquillo (9) que se extiende en dirección axial y en la cabeza del actuador (7) se conecta una membrana (41; 15), que se extiende esencialmente en dirección radial, está conectado con el casquillo (9) y presenta una sección transversal con diferentes radio de curvatura, caracterizado porque la membrana (41; 51) en forma de anillo está configurada arqueada en la dirección del elemento piezoeléctrico (6) y la cabeza del actuador (7) comprende una sección cónica, en la que está fijada la membrana (41, 51).

Description

Módulo actuador piezoeléctrico y procedimiento para el montaje de un módulo actuador piezoeléctrico.

Estado de la técnica

La invención parte de un módulo actuador piezoeléctrico, especialmente para un inyector en la parte de alta presión de una instalación de inyección con el sistema de inyección de acumulador "Common Rail" de un automóvil, de acuerdo con el tipo definido en detalle en el preámbulo de la reivindicación 1 de la patente así como de un procedimiento para el montaje de un módulo actuador de acuerdo con el tipo definido en detalle en el preámbulo de la reivindicación 6 de la patente.

Un módulo actuador de este tipo se conoce por la práctica y se puede emplear especialmente en combinación con sistemas de inyección de acumulador Common Rail para motores de combustión Diesel. En este caso, el módulo actuador piezoeléctrico está asociado a un módulo de control de la válvula configurado en forma de válvula y sirve para la activación de un miembro de cierre de la válvula del módulo de control de la válvula. Por medio del módulo de control de la válvula se puede activar de nuevo una aguja de tobera de un módulo de tobera de la válvula de inyección. La aguja de la válvula colabora con al menos un orificio de inyección que conduce hacia una cámara de combustión de un motor de combustión interna.

El módulo actuador piezoeléctrico comprende habitualmente una pata de actuador, que se apoya en una carcasa de la válvula de inyección, un elemento piezoeléctrico, que experimenta una prolongación cuando se aplica una tensión eléctrica, así como una cabeza de actuador, a través de la cual se transmite la prolongación del elemento piezoeléctrico sobre un llamado servo pistón, de tal manera que éste es desplazado axialmente. El servo pistón colabora a través de un acoplador hidráulico configurado como cámara hidráulica con un llamado pistón de activación, que está conectado de nuevo con el miembro de cierre de válvula. Una estructura de este tipo se describe también en el documento DE 199 46 831.

Los documentos DE 100 43 626 o DE 19 921 242 muestran un módulo actuador piezoeléctrico, que está rodeado por un casquillo que se extiende en dirección axial, que sirve para la protección del elemento piezoeléctrico contra contaminación y combustible así como frente a daños durante el montaje. En la zona de la cabeza del actuador, el módulo actuador piezoeléctrico está obturado por medio de un fuelle, que permite, por una parte, una carrera del actuador y, por otra parte, puede compensar un coeficiente de dilatación de temperatura negativo del elemento piezoeléctrico.

Sin embargo, los fuelles tienen el inconveniente de que requieren un espacio de construcción relativamente grande y representan componentes intensivos de costes.

Ventajas de la invención

El módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con la invención con las características de acuerdo con la reivindicación 1 de la patente 1 tiene, en cambio, la ventaja de que la membrana está constituida extraordinariamente reducida y, por lo tanto, solamente requiere un espacio de construcción reducido. Además, los costes de la membrana son claramente más reducidos que los de un fuelle.

La membrana del módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con la invención está configurado con preferencia de tal forma que puede seguir un desplazamiento de la cabeza del actuador, por ejemplo, de 40 \mum, que se activa a través de una prolongación del elemento piezoeléctrico. Cuando la membrana cierra herméticamente el módulo actuador en dirección axial, entonces forma junto con el casquillo, que delimita axialmente el módulo actuador, una envoltura de protección del módulo actuador. La totalidad de los componentes formados por la pata de actuador, el elemento piezoeléctrico, la cabeza del actuador, el casquillo y la membrana, forma de esta manera una especia de cartucho actuador piezoeléctrico.

Por lo tanto, la membrana tiene las siguientes funciones, a saber, una función de obturación; una función de compensación de la temperatura entre el elemento piezoeléctrico con dilatación longitudinal negativa y el casquillo con dilatación longitudinal positiva en caso de calentamiento; así como la función de la transmisión de la carrera del actuador (conexión de la cabeza del actuador y el casquillo).

La membrana puede estar fabricada en una forma de realización ventajosa, por ejemplo, a partir de un acero para muelles o un material que se endurece con la separación.

Se puede conseguir una conexión especialmente segura de la membrana con la pata del actuador cuando estos dos componentes están unidos por soldadura entre sí.

Por lo demás, la membrana puede estar soldada con el casquillo o puede estar fabricada en una sola pieza con el casquillo. En ambos casos, la membrana presenta con ventaja una abertura central para una zona estrechada de la pata del actuador para la transmisión de la longitud del elemento piezoeléctrico sobre al menos un pistón. La membrana está configurada entonces en forma de anillo.

De acuerdo con la invención, la membrana, que está configurada en forma de anillo, presenta una sección transversal arqueada. En esta forma de realización, las cargas mecánicas que actúan en el funcionamiento sobre la membrana son mínimas.

Con respecto al espacio de construcción disponible y a las cargas que predominan en el funcionamiento del módulo actuador se ha revelado especialmente ventajoso emplear una membrana, que presenta una sección transversal con diferentes radios de curvatura. La sección transversal de una membrana de este tipo está configurada plana, por ejemplo, en la zona de unión con la pata del actuador, de manera que la membrana está configurada cónica en esta zona, de modo que se conecta en la zona cónica en primer lugar una zona con un primer radio de curvatura, en la zona con el primer radio de curvatura se conecta una zona con un segundo radio de curvatura, que es menor que el primer radio de curvatura, y en la zona con segundo radio de curvatura se conecta una zona con un tercer radio de curvatura que es de nuevo menor que el segundo radio de curvatura. En la zona con el tercer radio de curvatura se puede conectar de nuevo una zona cilíndrica, alineada paralelamente al casquillo, a través de la cual la membrana está conectada con el casquillo. El ángulo entre la zona cónica y la zona cilíndricas de la membrana tiene aproximadamente 45º. Con un diámetro exterior de la membrana en forma de anillo, por ejemplo, de 9,85 mm y un diámetro interior de la membrana en forma de anillo, por ejemplo, de 3,7 mm, el primer radio de curvatura tiene 1,9 mm, el segundo radio de curvatura tiene 1,5 mm y el tercer radio de curvatura tiene 1,0 mm. Una forma de membrana de este tipo es el resultado de una optimización FEM en condiciones predeterminadas de espacio de construcción. Esta forma de la membrana con un espesor de la membrana, por ejemplo, de 80 \mum posibilita absorber las largas que se producen durante el funcionamiento del módulo actuador, que están constituidas especialmente por la presión de fluido de máximo 60 bares que aparece en la membrana, las oscilaciones de la temperatura entre -40 y 160ºC y una carrera del actuador de aproximadamente
35 \mum. La conexión de la membrana en la cabeza del actuador o bien en el casquillo se realiza de manera más conveniente por medio de costuras de soldadura láser.

El espesor de la membrana tiene, en una forma de realización ventajosa, entre 70 \mum y 0,2 mm

La invención tiene por objeto también un procedimiento para el montaje de un módulo actuador piezoeléctrico, cuyo módulo actuador comprende al menos un elemento piezoeléctrico, una pata de actuador y una cabeza de actuador, que colabora con un componente que puede ser activado por el elemento piezoeléctrico; en el que el módulo actuador está rodeado por un casquillo que se extiende en dirección axial. De acuerdo con la invención, el casquillo se cierra sobre el lado de la para del actuador en el lado frontal por medio de una membrana, que se extiende esencialmente en dirección radial.

De manera conveniente, la membrana es soldada durante el cierre del casquillo, libre de carga con la cabeza del actuador. A continuación se puede insertar la membrana junto con la cabeza del actuador en el casquillo y se puede impulsar el elemento piezoeléctrico con una carga previa. En una rigidez del actuador de 40 N/\mum, una carga previa de 750 N corresponde a un recorrido de aproximadamente 19 \mum. La membrana propiamente dicha permanece en este caso libre de carga. A continuación se suelda la membrana con el casquillo cuando el elemento piezoeléctrico está cargado, después de lo cual se retira la carga previa fuera de la cabeza del actuador, lo que provoca una desviación de la membrana en la dirección de la pata del actuador en torno a 19 \mum. En un procedimiento de montaje de este tipo, en virtud de la carga previa de 750 B, que actúa sobre el casquillo, se compensa la desviación positiva de la membrana. La membrana se encuentra entonces, cuando el elemento piezoeléctrico no está activado y sin presión de fluido actuando sobre la membrana, a una temperatura de 20ºC, por ejemplo, en posición cero y en este caso libre de carga.

Otras ventajas y desarrollos ventajosos del objeto de acuerdo con la invención se deducen a partir de la descripción, del dibujo y de las reivindicaciones de la patente.

Dibujo

Ejemplos de un módulo de actuador piezoeléctrico se representan simplificados de forma esquemática en el dibujo y se explican en detalle en la descripción siguiente. En este caso:

La figura 1 muestra un módulo actuador no acorde con la invención, que sirve como unidad de activación de una válvula de inyección, en una sección longitudinal simplificada.

La figura 2 muestra una representación en perspectiva de un fragmento de una zona de la cabeza del actuador de un módulo actuador de acuerdo con la figura 1.

La figura 3 muestra un módulo actuador no acorde con la invención en una válvula de inyección en una representación correspondiente a la figura 1.

La figura 4 muestra un módulo actuador no acorde con la invención en la sección longitudinal.

La figura 5 muestra una primera forma de realización de un módulo actuador piezoeléctrico en la sección longitudinal.

La figura 6 muestra una representación ampliada de la zona VI enmarcada con línea de trazos en la figura 5; y

La figura 7 muestra una segunda forma de realización en una representación correspondiente a la figura 6.

Descripción de los ejemplos de realización

El ejemplo representado en las figuras 1 y 2, que no forma parte de la invención, pero que facilita la comprensión de la invención, muestra una zona parcial de un sistema de inyección de combustible 1, que está previsto para el montaje en un motor de combustión interna de un automóvil y que está configurado aquí como inyector de Common Rail para la inyección de combustible Diesel con preferencia.

El inyector comprende un módulo actuador 2, que está alojado en un cuerpo de retención 3 y que está asociado a través de un módulo acoplador a un módulo de control de válvula configurado del tipo de válvula, que sirve para la activación de una aguja de tobera, que está dispuesta en un módulo de tobera no representado aquí en detalle. En el cuerpo de retención 3 está configurado, por lo demás, un canal de alimentación de combustible 4 (taladro de alta presión) que se extiende paralelamente al módulo actuador 2, que sirve para el transporte de combustible desde una unidad de acumulación de Common-Rail hacia el módulo de toberas de la válvula de inyección 1.

El módulo actuador 2 comprende una llamada pata del actuador 5, sobre la que se apoya el módulo actuador 2 en el cuerpo de retención 3, un elemento piezoeléctrico 6 que se conecta en la pata del actuador 5 en dirección axial, que está fabricado, como es habitual, por una pluralidad de capas de un material piezoeléctrico, así como una llamada cabeza de actuador 7 que se conecta en el elemento piezoeléctrico 6 en la dirección que se aleja de la pata del actuador 5. La cabeza del actuador 7 sirve para la transmisión de una prolongación o bien de una contracción del elemento piezoeléctrico 6 sobre un servo pistón conocido Ens., no representado aquí, de la unidad de control de la válvula, que está constituida, en principio, como una válvula descrita en el documento DE 199 46 831 para el control de líquidos.

Así, por ejemplo, el servo pistón puede estar en conexión operativa de la manera habitual a través de un acoplador hidráulico configurado, de la manera habitual, como cámara hidráulica, con un llamado pistón de activación, en el que el pistón de activación inferior está conectado de nuevo con un miembro de cierre de la válvula, que colabora con un asiento de válvula.

La transmisión de la prolongación del elemento piezoeléctrico 6 se realiza a través de una bola 8 que sirve aquí como elemento de compensación,. La bola 8 tiene, por ejemplo, un diámetro de aproximadamente 3 mm.

El módulo actuador piezoeléctrico 2 está rodeado aquí por un casquillo 9 de pared fina, configurado esencialmente de forma cilíndrica, que se extiende en dirección axial, que está fabricado, por ejemplo, de acero inoxidable de coste favorable y que cierre herméticamente radialmente el módulo actuador 2.

En el lado alejado de la pata del actuador 5, el módulo actuador piezoeléctrico 2 está cerrado herméticamente en dirección axial por medio de una membrana 10 configurada en el presente caso de acero para muelles, que se extiende esencialmente en dirección radial, está configurada en forma de anillo y presenta una abertura central para una zona 12 en forma de pivote de la cabeza del actuador 7.

La membrana tiene, por ejemplo, un espesor de 0,08 mm a 0,2 mm, un diámetro exterior de 9,5 mm y un diámetro interior de 2,5 mm.

La membrana 10, cuya conformación es aquí esencialmente plana o bien en forma de placa, está conectada fijamente en la delimitación interior, dirigida hacia la zona 12 en forma de pivote, por medio de una costura de soldadura 13 con la cabeza del actuador 7. En la delimitación exterior, que está dirigida hacia el casquillo 9, la membrana 10 está conectada a través de una costura de soldadura 14 con el casquillo 9.

En la figura 3 se representa un ejemplo alternativo de un módulo actuador piezoeléctrico que no es acorde con la invención. Esta forma de realización se diferencia de las formas de realización según las figuras 1 y 2 por una membrana 21, que está arqueada en forma elíptica hasta forma de arco de círculo, en la que la curvatura se extiende en la dirección del elemento piezoeléctrico 6. La membrana 21, que se extiende esencialmente en dirección radial, está configurada igualmente en forma de anillo y está conectada en la delimitación interior a través de una costura de soldadura 13 con la cabeza del actuador 7 y en la delimitación exterior está conectada a través de una costura de soldadura 14 con el casquillo 9. En esta forma de realización, las cargas mecánicas, que actúan en el funcionamiento sobre la membrana, son reducidas.

En la figura 4 se representa u n tercer ejemplo de un módulo actuador piezoeléctrico 30 no acorde con la invención. Esta forma de realización se diferencia de la forma de realización según las figuras 1 y 2 porque presenta una membrana 31, que está fabricada en una sola pieza con el casquillo 9 y forma con el casquillo 9 una unidad. La membrana 31, que presenta una geometría lisa o plana, está configurada en forma de anillo y está conectada en su delimitación interior a través de una costura de soldadura 13 con la cabeza del actuador 7.

En la figura 5 se representa una primera forma de realización de acuerdo con la invención de un módulo actuador piezoeléctrico 40. La estructura del módulo actuador 40 se diferencia de la estructura del módulo actuador según la figura 1 porque presenta una membrana 41, que presenta una sección transversal con diferentes radios de curvatura, en el que la membrana en forma de anillo 41 está configurada arqueada en la dirección del elemento piezoeléctrico 6.

La sección transversal de la membrana 41, que se representa ampliada en la figura 6, presenta una zona plana 42 en la sección transversal, configurada de forma cónica, que forma un ángulo de 45º con el casquillo 9 y presenta una longitud d1 de 0,7 mm. La membrana 41 está soldada sobre la zona 42 de forma cónica con la pata del actuador 7. En la zona 42 se conecta una zona 43 con un primer radio de curvatura de 1,9 mm, en la que se conecta una zona 44 con un segundo radio de curvatura de 1,5 mm, en la que se conecta de nuevo una zona 45 con un tercer radio de curvatura de 1,0 mm. En la zona 45 con el tercer radio de curvatura se conecta de nuevo una zona cilíndrica 46, plana en la sección transversal, a través de la cual la membrana 41 está soldada con el casquillo 9. La zona 46 de la membrana 41, que presenta una altura d2 de 0,7 mm, sobresale frente al casquillo 9 en torno a 0,3 mm. La zona 45 con el tercer radio de curvatura se extiende hasta la altura de la membrana de 1,5 mm, la zona 44 con el segundo radio de curvatura pasa a través del vértice de la membrana 41 a la altura d4 de 1,8 mm y termina a una altura d5 de 1,78 mm. La zona 43 con el primer radio de curvatura se extiende desde una altura de la membrana de 1,25 mm hasta una altura de la membrana de 1,78 mm.

El diámetro exterior de la membrana 41 tiene 9,85 mm, el diámetro interior de la membrana 41 tiene 3,7 mm.

La membrana representada en las figuras 5 y 6 se monta de tal manera que se suelda en primer lugar la cabeza del actuador 7 libre de carga con la zona 42 de la membrana 41. Para el ajuste del nivel de la tensión media se puede presionar entonces la cabeza del actuador 7 con una carga previa de 750 N, lo que corresponde a un recorrido del actuador de 19 \mum, sobre el elemento piezoeléctrico 6, de manera que la zona 46 de la membrana 41 es soldada con el casquillo 9 bajo esta carga previa.

De manera alternativa, la zona 46 de la membrana 41 se deforma previamente de manera selectiva y se presiona en el casquillo 9 y solamente entonces se suelda con el casquillo 9.

A través de la aplicación de la tensión previa durante el montaje de la membrana se puede reducir claramente el nivel de la tensión en el punto de funcionamiento.

En la figura 7 se representa una segunda forma de realización de acuerdo con la invención de un módulo actuador piezoeléctrico 50. La estructura del módulo actuador 50 corresponde esencialmente a la del módulo actuador según las figuras 5 y 6, pero se diferencia de éstas por una membrana 51 de geometría diferente.

La membrana 51 está configurada arqueada en la dirección del elemento piezoeléctrico 6 y presenta una sección transversal, que está formada por una zona anular 52 alineada en ángulo recto con respecto al eje del elemento piezoeléctrico 6 y que rodea la pata del actuador, en la que se conecta una zona cónica 53, en la que la membrana 51 está soldada sobre una longitud e1 de aproximadamente 0,3 mm con la pata del actuador 7. En la zona cónica 53 se conecta una zona 54 con un primer radio de curvatura de 1,4 mm en la que se conecta una zona 55 con un segundo radio curvatura de 2,47 mm, en la que se conecta de nuevo una zona 56 con un tercer radio de curvatura de 0,5 mm. En la zona 56 con el tercer radio de curvatura se conecta de nuevo una zona cilíndrica 57, plana en la sección transversal, a través de la cual la membrana 51 está soldada con el casquillo 9 sobre una longitud e2 de aproximadamente 0,3 mm. La zona cilíndrica 57 está delimitada por una zona 58 en forma de faldilla, alineada en ángulo recto con el eje del elemento piezoeléctrico 6. La zona cilíndrica 57 presenta una altura e3 de 1,2 mm y sobresale frente al casquillo 9. La zona 56 con el tercer radio de curvatura se extiende hasta una altura de la membrana e4 de 1,75 mm, la zona 55 con el segundo radio de curvatura pasa a través del vértice de la membrana 51 a una altura e5 de 1,85 mm y termina a una altura e6 de 1,62 mm. La zona 54 con el primer radio de curvatura se extiende desde una altura de la membrana de 1,24 mm hasta una altura de la membrana e7 de 1,66 mm.

El diámetro exterior de la membrana 51 tiene 10,35mm en la zona 58 en forma de faldilla y 9,89 mm en la zona cilíndrica 57. El diámetro interior de la membrana 51 tiene 3,5 mm.

Aunque la aplicación descrita del módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con la invención es muy ventajosa en una válvula de inyección de combustible, la utilización de un módulo actuador piezoeléctrico configurado de acuerdo con la invención es concebible también en otros campos de aplicación, especialmente en zonas, en las que un elemento piezoeléctrico debe protegerse de contaminación o de un medio agresivo.

Claims (9)

1. Módulo actuador piezoeléctrico, que comprende al menos un elemento piezoeléctrico (6), una pata de actuador (5) y una cabeza de actuador (7), que colabora con un componente que puede ser activado por el elemento piezoeléctrico (6), en el que el módulo actuador (2; 20; 30; 40) está rodeado por un casquillo (9) que se extiende en dirección axial y en la cabeza del actuador (7) se conecta una membrana (41; 15), que se extiende esencialmente en dirección radial, está conectado con el casquillo (9) y presenta una sección transversal con diferentes radio de curvatura, caracterizado porque la membrana (41; 51) en forma de anillo está configurada arqueada en la dirección del elemento piezoeléctrico (6) y la cabeza del actuador (7) comprende una sección cónica, en la que está fijada la membrana (41, 51).

2. Módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la membrana (41; 15) está soldada con la cabeza del actuador (7).

3. Módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la membrana (41; 51) está soldada con el casquillo (9).

4. Módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la membrana (41; 51) presenta un espesor entre aproximadamente 70 \mum y 200 \mum.

5. Módulo actuador piezoeléctrico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por su utilización como unidad de control de una válvula de inyección de combustible (1), especialmente de una válvula de inyección Common Rail, de un automóvil.

6. Procedimiento párale montaje de un módulo actuador piezoeléctrico, que comprende al menos un elemento piezoeléctrico (6), una pata de actuador (5) y una cabeza de actuador (7), que colabora con un componente que debe activarse con un elemento piezoeléctrico (6), ene. que el módulo actuador (2; 20; 30; 40) está rodeado por un casquillo (9) que se extiende en dirección axial y el casquillo (9) está cerrado en el lado frontal sobre el lado de la cabeza del actuador (7) por medio de una membrana (41; 51), que se extiende esencialmente en dirección axial, caracterizado porque la membrana (41; 51) en forma de anillo está configurada arqueada en la dirección del elemento piezoeléctrico (6) y la cabeza del actuador (7) se provee con una sección cónica, en la que se fija la membrana (41, 51), que posee de la misma manera una zona de membrana cónica (42, 53).

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la membrana (41; 51) y la cabeza del actuador (7) se sueldan libres de carga.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque la cabeza del actuador (7) soldada con la membrana (41; 51) está insertada en el casquillo (9) y es impulsada con una carga previa en la dirección del elemento piezoeléctrico (6).

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la membrana (41; 51) se suelda con el casquillo (9) cuando la cabeza del actuador (7) está precargada.