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Dokumentenidentifikation DE10130856B4 29.07.2004
Titel Piezoelektrisches Mehrfachstapel-Betätigungsglied für einen Kraftstoffinjektor
Anmelder Siemens Automotive Corp., Auburn Hills, Mich., US
Erfinder Gromek, Bogdan, Yorktown, Va., US;
Shen, Jingming Jim, Newport News, Va., US
Vertreter Patentanwälte Westphal Mussgnug & Partner, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Anmeldedatum 28.06.2001
DE-Aktenzeichen 10130856
Offenlegungstag 31.01.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.2004
IPC-Hauptklasse F02M 51/06
IPC-Nebenklasse H02N 2/06   F02D 41/20   F16K 31/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Betätigungsglied für einen Kraftstoffinjektor, und insbesondere auf ein Kraftstoffinjektor-Betätigungsglied mit einer Mehrzahl von Sätzen von piezoelektrischen Elementen.

Ein solcher Kraftstoffinjektor ist z.B. aus DE 198 49 203 A1 bekannt.

Des weiteren ist aus der älteren, jedoch nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung veröffentlichten DE 199 05 340 A1 ein Kraftstoffinjektor bekannt, der über zwei Sätze von piezoelektrischen Elementen als Aktoren verfügt.

Ein bekanntes piezoelektrisches Element ist ein Keramikgebilde, dessen axiale Länge sich bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes ändert, das durch Anlegen einer Spannung an das Element erzeugt wird. Bei typischen Anwendungen kann sich die axiale Länge des Elements z.B. um etwa 0.12 ändern. Bei einer Stapelanordnung von Elementen ist die Änderung der axialen Gesamtlänge des Stapels gleich der Summe der Änderungen der Axiallänge jedes Elements im Stapel. Bekanntlich führt das Anlegen einer Spannung an ein piezoelektrisches Element oder einen Stapel von piezoelektrischen Elementen nahezu augenblicklich zur Ausdehnung des Betätigungsgliedes und zu einer augenblicklichen Bewegung irgendeines Gegenstandes, der mit dem Betätigungsglied verbunden ist.

Es ist bekannt, einen einzigen Satz von piezoelektrischen Elementen, d.h. einen Stapel von piezoelektrischen Elementen zu verwenden, an die eine gemeinsame Spannung angelegt wird, um einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine zu betätigen. Solche piezoelektrischen Betätigungsglieder öffnen und schließen ein Einspritzventil präzise, um die Kraftstoffeinströmung in eine Verbrennungskammer präzise zuzumessen.

Die in der Umgebung von piezoelektrisch betätigten Injektoren vorhandenen thermischen und Druckwirkungen können Dimensionsänderungen innerhalb des Injektors hervorrufen. Diese Dimensionsänderungen führen zu einer Änderung des Injektorhubes, was eine unstabile Verschiebung in seinen Strömungseigenschaften bewirkt. Um die Dimensionsänderungen zu kompensieren, ist es bekannt, Injektoren aus exotischen Materialien herzustellen, welche eine geringe Wärmeausdehnung zeigen. Ferner ist es ebenfalls bekannt, die Injektorhübe zu kalibrieren, um eine Verlängerung des Ventilkörpers vorwegzunehmen. Diese Verfahren sind jedoch kostspielig und nicht sehr wirksam.

Vorteile der beanspruchten Erfindung umfassen eine Erhöhung des Hubes des piezoelektrischen Stapels, ein Kompensieren der thermischen Ausdehnung unter verschiedenen Betriebsbedingungen und ein Kompensieren der mechanischen Verformung unter unterschiedlichen Kraftstoffdrücken und Anordnungsbelastungen.

Die Erfindung schafft einen Kraftstoffinjektor, welcher aufweist: eine Rohranordnung mit einer Längsachse, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt; einen Sitz, der am zweiten Ende der Rohranordnung befestigt ist, wobei der Sitz eine Öffnung bildet; eine Schaftanordnung, die bezüglich des Sitzes verschiebbar ist, wobei die Schaftanordnung sich zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung am Sitz eng anliegt, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung verhindert wird, und einer zweiten Stellung verschiebt, in der die Schaftanordnung im Abstand vom Sitz angeordnet ist, so dass die Kraftstoffströmung durch die Öffnung möglich ist; einen ersten Satz von piezoelektrischen Elementen, welche die Schaftanordnung in Abhängigkeit von einem ersten elektrischen Feld verschieben; und einen zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen, die den ersten Satz von piezoelektrischen Elementen in Abhängigkeit von einem zweiten elektrischen Feld verschieben.

Die Erfindung schafft ferner einen Kraftstoffinjektor, welcher aufweist: eine Rohranordnung mit einer Längsachse, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt; einen am zweiten Ende der Rohranordnung befestigten Sitz, welcher eine Öffnung bildet; eine Schaftanordnung, die bezüglich des Sitzes verschiebbar ist, wobei die Schaftanordnung sich längs der Achse zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung eng am Sitz anliegt, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung verhindert wird, und einer zweiten Stellung verschiebt, in der die Schaftanordnung einen Abstand vom Sitz aufweist, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung möglich ist; einen ersten Satz von piezoelektrischen Elementen, der mit der Schaftanordnung verbunden ist, wobei der erste Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit von einem ersten elektrischen Feld elektromechanisch ausdehnt und kontrahiert; und einen zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen, der mit dem ersten Satz von piezoelektrischen Elementen verbunden ist, wobei der zweite Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit von einem zweiten elektrischen Feld ausdehnt und kontrahiert.

Außerdem schafft die Erfindung ein Verfahren zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors. Der Kraftstoffinjektor enthält eine Rohranordnung mit einer Längsachse, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, einen am zweiten Ende der Rohranordnung befestigten Sitz, der eine Öffnung bildet, eine Schaftanordnung, die bezüglich des Sitzes verschiebbar ist, wobei die Schaftanordnung sich längs der Achse zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung eng am Sitz anliegt, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung verhindert wird, und einer zweiten Stellung verschiebt, in der die Schaftanordnung einen Abstand vom Sitz aufweist, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung möglich ist, einen ersten Satz von mit der Schaftanordnung verbundenen piezoelektrischen Elementen, und einen zweiten Satz von mit dem ersten Satz von piezoelektrischen Elementen verbundenen piezoelektrischen Elementen. Das Verfahren umfasst das Anlegen eines elektrischen Feldes an den ersten Satz von piezoelektrischen Elementen, wobei der erste Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit vom ersten elektrischen Feld elektromechanisch ausdehnt und kontrahiert; und Anlegen eines zweiten elektrischen Feldes am zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen, wobei der zweite Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit vom zweiten elektrischen Feld elektromechanisch ausdehnt und kontrahiert.

Die Figuren, die einen Teil dieser Beschreibung bilden, stellen Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der obigen Beschreibung und der ausführlichen nachfolgenden Einzelbeschreibung zur Erläuterung der Merkmale der Erfindung.

1 ist ein Schnitt eines Kraftstoffinjektors mit einem piezoelektrischen Betätigungsglied gemäß der Erfindung.

2 ist eine grafische Darstellung von vier Beispielen der Hubsummierung für ein piezoelektrisches Betätigungsglied mit zwei Sätzen von piezoelektrischen Elementen gemäß der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Ein Kraftstoffinjektor kann ein piezoelektrisches Mehrelement-Betätigungsglied enthalten, dessen Länge sich in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld ändert, das durch eine Steuerspannung erzeugt wird, die an den piezoelektrischen Elementen angelegt wird. Das Betätigungsglied kann mit einem Ventilorgan zum Öffnen und Schließen des Kraftstoffinjektors gekoppelt sein.

Wie aus 1 ersichtlich, enthält ein Kraftstoffinjektor eine Rohranordnung 10 mit einem ersten Endteil 20, einem Mittelteil 22 und einem Ventilkörper 24 an einem zweiten Endteil. Der erste Teil 20, der Mittelteil 22 und der Ventilkörper 24 können längs einer Achse 15 ausgerichtet und aneinander befestigt sein. Ein Sitz 26 mit einer Öffnung 28 ist am Ventilkörper 24 an einem dem Mittelteil 22 entgegengesetzten Ende befestigt. Kraftstoff kann über einen Kraftstoffeinlass 30 und einen Kraftstoffkanal 32 im Mittelteil 22 zugeführt werden. Eine Kammer 34 verbindet den Kraftstoffkanal 32 mit der Öffnung 28.

Eine Schaftanordnung 40 erstreckt sich längs der Achse 15 und wird bezüglich des Sitzes 26 hin- und herbewegt. Die Schaftanordnung 40 bewegt sich zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung 40 eng am Sitz 26 anliegt, so dass die Kraftstoffströmung durch die Öffnung 28 verhindert wird, und einer zweiten Stellung, in der die Schaftanordnung 40 im Abstand vom Sitz 26 angeordnet ist, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung 28 zugelassen wird. Ein elastisches Element 42 belastet die Schaftanordnung 40 zur ersten Stellung hin. Wie z.B. in l gezeigt, kann die Schaftanordnung 40 einen Ring 44 aufweisen, der an einem Schaft 46 befestigt ist, und das elastische Element 42 kann zwei Schraubenfedern aufweisen, die entgegengesetzte Enden besitzen, die am Ventilkörper 24 und am Ring 44 angreifen.

Die Schaftanordnung 40 wird durch eine piezoelektrische Betätigungsanordnung 50 in die erste Stellung verschoben. Gemäß der beanspruchten Erfindung enthält das piezoelektrische Betätigungsglied wenigstens einen ersten Satz von piezoelektrischen Elementen 52 und einen zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen 54, die gemeinsam in Reihe angeordnet sind und gewöhnlich in der Achse 15 ausgerichtet sein können. Diese zwei Sätze 52, 54 können einzeln oder gleichzeitig arbeiten; die Steuerspannungen und infolgedessen die elektrischen Felder für jeden Satz 52, 54 können statisch oder dynamisch sein; und die Stapellängen können gleich oder unterschiedlich sein, je nach Erfordernis und Möglichkeit.

Die gesamte Längenänderung des ersten und zweiten Satzes von piezoelektrischen Elementen 52, 54 entspricht genau der Summe der einzelnen Stapel, die ihrerseits die Summe der Längenänderungen jedes einzelnen Elements in ihrem jeweiligen Stapel sind.

Die vorliegende Erfindung kann daher die Leistung und Steuerflexibilität des Kraftstoffinjektors mit piezoelektrischem Betätigungsglied verbessern. Beispielsweise können gemäß 2 mehrere Sätze von piezoelektrischen Elementen den Ventilhub vergrößern, Längenänderungen von Komponenten infolge der thermischen Belastungen und mechanischen Belastungen kompensieren oder den Hubverlauf formen. Natürlich zeigt 2 nur einige der möglichen Hubverläufe.

Die Erfindung ist nicht eingeschränkt auf zwei Sätze von piezoelektrischen Elementen und kann drei oder mehr Sätze von piezoelektrischen Elementen umfassen. Selbstverständlich können unterschiedliche Steuerspannungen und infolgedessen elektrische Felder auf zwei oder mehr Sätze der piezoelektrischen Elemente angewendet werden.

Die Erfindung ist zwar mit Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden, aber es können zahlreiche Modifikationen, Änderungen und Auswechslungen an den beschriebenen Ausführungsformen ohne Abweichen vom Umfang und von der Reichweite der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen niedergelegt ist, möglich. Es ist daher beabsichtigt, dass die Erfindung nicht durch die beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt wird, sondern ihren vollen Schutzumfang, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche sowie durch ihre Äquivalente definiert ist, behält.


Anspruch[de]
  1. Kraftstoffinjektor, welcher aufweist:

    eine Rohranordnung mit einer Längsachse, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt;

    einen Sitz, der am zweiten Ende der Rohranordnung befestigt ist, wobei der Sitz eine Öffnung bildet;

    eine Schaftanordnung, die bezüglich des Sitzes verschiebbar ist, wobei die Schaftanordnung sich zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung am Sitz eng anliegt, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung verhindert wird, und einer zweiten Stellung verschiebt, in der die Schaftanordnung im Abstand vom Sitz angeordnet ist, so dass die Kraftstoffströmung durch die Öffnung möglich ist;

    einen ersten Satz von piezoelektrischen Elementen, welche die Schaftanordnung in Abhängigkeit von einem ersten elektrischen Feld verschieben; und

    einen zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen, die den ersten Satz von piezoelektrischen Elementen in Abhängigkeit von einem zweiten elektrischen Feld verschieben.
  2. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, bei welchem das erste elektrische Feld die Schaftanordnung zwischen der ersten und zweiten Stellung verschiebt.
  3. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 2, bei welchem das zweite elektrische Feld ebenfalls die Schaftanordnung zwischen der ersten und zweiten Stellung verschiebt.
  4. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, bei welchem die Verschiebung in Abhängigkeit vom zweiten elektrischen Feld wenigstens teilweise die Verschiebung in Abhängigkeit vom ersten elektrischen Feld kompensiert.
  5. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 4, bei welchem die Bewegung in Abhängigkeit vom zweiten Feld physikalische Änderungen wenigstens in der Rohranordnung oder in der Schaftanordnung kompensiert.
  6. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 5, bei welchem die physikalischen Änderungen wenigstens die Wärmeausdehnung oder die mechanische Verformung umfassen.
  7. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, bei welchem die elektromechanische Ausdehnung und Kontraktion des ersten Satzes von piezoelektrischen Elementen längs einer ersten Achse erfolgt, und die elektromechanische Ausdehnung und Kontraktion des zweiten Satzes von piezoelektrischen Elementen längs einer zweiten, zur ersten Achse im Wesentlichen parallelen Achse erfolgt.
  8. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 7, bei welchem die erste und zweite Achse im Wesentlichen zusammenfallen.
  9. Kraftstoffinjektor, welcher aufweist:

    eine Rohranordnung mit einer Längsachse, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt;

    einen am zweiten Ende der Rohranordnung befestigten Sitz, welcher eine Öffnung bildet;

    eine Schaftanordnung, die bezüglich des Sitzes verschiebbar ist, wobei die Schaftanordnung sich längs der Achse zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung eng am Sitz anliegt, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung verhindert wird, und einer zweiten Stellung verschiebt, in der die Schaftanordnung einen Abstand vom Sitz aufweist, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung möglich ist;

    einen ersten Satz von piezoelektrischen Elementen, der mit der Schaftanordnung verbunden ist, wobei der erste Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit von einem ersten elektrischen Feld elektromechanisch ausdehnt und kontrahiert; und

    einen zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen, der mit dem ersten Satz von piezoelektrischen Elementen verbunden ist, wobei der zweite Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit von einem zweiten elektrischen Feld ausdehnt und kontrahiert.
  10. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, bei welchem das erste elektrische Feld die Schaftanordnung zwischen der ersten und zweiten Stellung verschiebt.
  11. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 10, bei welchem das zweite elektrische Feld ebenfalls die Schaftanordnung zwischen der ersten und zweiten Stellung verschiebt.
  12. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 9, bei welchem die Verschiebung in Abhängigkeit von dem zweiten elektrischen Feld wenigstens teilweise die Verschiebung in Abhängigkeit vom ersten elektrischen Feld kompensiert.
  13. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 12, bei welchem die Verschiebung in Abhängigkeit vom zweiten Feld physikalische Änderungen wenigstens der Rohranordnung oder der Schaftanordnung kompensiert.
  14. Kraftstoffinjektor nach Anspruch 13, bei welchem die physikalischen Änderungen wenigstens die Wärmeausdehnung oder die mechanische Verformung umfassen.
  15. Verfahren zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors, wobei der Kraftstoffinjektor eine Rohranordnung mit einer Längsachse enthält, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, ein Sitz am zweiten Ende der Rohranordnung befestigt wird und eine Öffnung bildet, eine Schaftanordnung bezüglich des Sitzes verschiebbar ist, die Schaftanordnung sich längs der Achse zwischen einer ersten Stellung, in der die Schaftanordnung eng am Sitz anliegt, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung verhindert wird, und einer zweiten Stellung verschiebt, in der die Schaftanordnung einen Abstand vom Sitz aufweist, so dass eine Kraftstoffströmung durch die Öffnung möglich ist, ein erster Satz von piezoelektrischen Elementen mit der Schaftanordnung verbunden wird, und ein zweiter Satz von piezoelektrischen Elementen mit dem ersten Satz von piezoelektrischen Elementen verbunden wird, wobei das Verfahren umfasst:

    Anlegen eines ersten elektrischen Feldes an den ersten Satz von piezoelektrischen Elementen, wobei der erste Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit vom ersten elektrischen Feld elektromechanisch ausdehnt und kontrahiert; und

    Anlegen eines zweiten elektrischen Feldes am zweiten Satz von piezoelektrischen Elementen, wobei der zweite Satz von piezoelektrischen Elementen sich längs der Achse in Abhängigkeit vom zweiten elektrischen Feld elektromechanisch ausdehnt und kontrahiert.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem das Anlegen des ersten elektrischen Feldes die Schaftanordnung über eine erste Strecke entlang der Achse verschiebt, das Anlegen des zweiten elektrischen Feldes die Schaftanordnung über eine zweite Strecke entlang der Achse verschiebt, und eine Gesamtverschiebungsstrecke der Schaftanordnung zwischen der ersten und zweiten Stellung eine Summe der ersten und zweiten Strecke ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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