DE19909106C2

DE19909106C2 - Temperaturkompensierte piezoelektrische Aktoreinheit

Info

Publication number: DE19909106C2
Application number: DE19909106A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Augustin; Wilhelm Frank
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: FR2790618B1; DE19909106A1; FR2790618A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit mit einem Pie zoelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aktoreinheiten mit einem Piezoelement werden beispiels weise in der Kraftfahrzeugtechnik zum Steuern von Einspritz ventilen in einem Verbrennungsmotor eingesetzt. So ist aus der DE 38 44 134 C2 ein Einspritzventil bekannt, bei dem eine Düsennadel über eine Stelleinrichtung von einem Piezoelement betätigt wird. Das Piezoelement löst dabei über eine Wirkver bindung die Stelleinrichtung aus und wird von einem hülsen förmigen Gehäuse in seiner Position fixiert.

Die üblicherweise verwendeten Piezoelemente bestehen aus Quarzkeramik, die sich bei einer Temperaturerhöhung in der Aktoreinheit ausdehnt, wodurch sich die Position des Piezo elements in bezug auf die Stelleinrichtung verschiebt und da mit die Wirkverbindung zwischen dem Piezoelement und der Stelleinrichtung verändert.

Um diesen Temperatureffekt des Piezoelements zu kompen sieren, wird das das Piezoelement aufnehmende Gehäuse im all gemeinen aus Invar gefertigt, da dieser Werkstoff einen ähn lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie Quarzkeramik zeigt. Das Invargehäuse kann deshalb weitgehend die sich bei einer Temperaturänderung ergebende Änderung in der Ausdehnung des Piezoelements nachvollziehen, so daß die Position des Piezoelements in bezug auf die Stelleinrichtung und damit die Wirkverbindung zu dieser Stelleinrichtung im wesentlichen un beeinflußt bleibt.

Die Herstellung des Aktorgehäuses aus Invar hat jedoch den Nachteil, daß Invar ein relativ teuerer und zudem weicher Werkstoff ist. Darüber hinaus läßt sich mit einem Invargehäu se auch keine vollständige Kompensation des Temperatureffekts der Quarzkeramik erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Aktoreinheit mit einem Piezoelement bereit zu stellen, die kostengünstig eine vollständige Kompensation des Temperatu reffekts auf das Piezoelement gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch ein Aktorgehäuse gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Aktoreinheit besteht ein ein Piezoelement aufnehmendes Gehäuse aus wenigstens einer inne ren Hülse, einer mittleren Hülse und einer äußeren Hülse, die ineinandergesteckt sind, wobei die innere Hülse form- und/oder kraftschlüssig an einem oberen Endabschnitt mit dem Piezoelement und an einem unteren Endabschnitt mit einem un teren Endabschnitt der mittleren Hülse verbunden ist und die äußere Hülse form- und/oder kraftschlüssig an einem oberen Endabschnitt mit einem oberen Endabschnitt der mittleren Hül se verbunden ist und weiter an einem unteren Endabschnitt mit einer Stelleinrichtung verbunden werden kann, wobei die inne re Hülse, die mittlere Hülse und die äußere Hülse aus wenig stens zwei verschiedenen Werkstoffen bestehen, die so ausge wählt sind, daß der sich ergebende thermische Ausdehnungs koeffizient des Hülsenverbundes im wesentlichen dem des Pie zoelements entspricht.

Der gefaltete Aufbau des Aktorgehäuses aus drei mitein ander verbundenen Hülsen, die aus zwei verschiedenen Werk stoffen bestehen, ermöglicht eine mechanische Differenzbil dung verschiedener (relativ großer) thermischer Ausdehnungs koeffizienten und damit eine vollständige Kompensation der thermischen Ausdehnung des Piezoelements, da die Werkstoffe dann so aufeinander abgestimmt werden können, daß der sich ergebende thermische Gesamtausdehnungskoeffizient an den des Piezoelements angepaßt ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, als Werkstoffe für die Hülsen im Vergleich zu Invar kostengünstige Materialien zu verwenden, die darüber hinaus auch eine höhere Festigkeit zeigen und sich einfacher verarbeiten, z. B. verschweißen, lassen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die innere Hülse und die äußere Hülse aus einem Werkstoff mit einer geringen thermischen Ausdehnung, vorzugsweise aus einem chrom legierten Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient von 10 . 10^-6 m/m°C und die mittlere Hülse aus einem Werkstoff mit einer hohen thermischen Ausdehnung, vorzugsweise aus ei nem nickellegierten Stahl mit einem thermischen Ausdehnungs koeffizienten von 17,5 10^-6 m/m°C gefertigt. Mit einem sol chen Hülsenverbund läßt sich ein thermischer Gesamtausdeh nungskoeffizient von 2,5 10^-6 m/m°C erzielen, der genau dem eines vorgespannten Piezoelements entspricht. Diese Werkstof fe sind darüber hinaus besonders kostengünstig und leicht zu verarbeiten.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs form einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit;

Fig. 2A einen Längsschnitt durch eine zweite Ausfüh rungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit; und

Fig. 2B eine Aufsicht auf die in Fig. 2A gezeigte Aus führungsform.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Aktoreinheit, die im we sentlichen aus einem Piezoelement 1, einem mit dem Piezoele ment verbundenen Betätigungsstift 2 und einem das Piezoele ment aufnehmenden Gehäuse 3 besteht. Das Piezoelement 1 ist dabei vorzugsweise zylindrisch ausgeformt und kann aus mehre ren übereinandergestapelten Einzelelementen aufgebaut sein, die in einer Vorspanneinrichtung verkapselt sind, wobei das Piezoelement 1 mit einer Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorgespannt wird.

Über den Betätigungsstift 2 kann das Piezoelement mit einer Stelleinrichtung, z. B. einem hydraulischen Ventil, in Verbindung stehen, das wiederum eine Düsennadel in einem Ein spritzventil ansteuern kann. Im Piezoelement 1 kann durch An legen einer Spannung eine Längsdehnung erzeugt werden, die über den Betätigungsstift 2 die Stelleinrichtung auslöst, die dann die Düsennadel im Einspritzventil öffnet.

Das das Piezoelement 1 aufnehmende Gehäuse 3 ist vor zugsweise ebenfalls zylindrisch ausgebildet und setzt sich aus einer Kopfplatte 31, einer Bodenplatte 32 und einem Hül senverbund 33 zusammen. Das Piezoelement 1 ist dabei mit einer Stirnfläche fest mit einer Innenfläche der Kopfplatte 31 verbunden. In der Bodenplatte 32 des Gehäuses 3 ist weiterhin eine Öffnung 321 vorgesehen, aus der der am Piezoelement 1 angebrachte Betätigungsstift 2 herausragt, um eine Verbindung mit der Stelleinrichtung herstellen zu können.

Der Hülsenverbund 33, der das Piezoelement 1 vollständig einschließt, besteht aus drei ineinandergesteckten Hülsen 331, 332, 333. Die innere Hülse 331 ist dabei an ihrem oberen Endabschnitt form- und/oder kraftschlüssig mit der Kopfplatte 31 verbunden, wobei vorzugsweise eine Schweißverbindung 311 ausgeführt wird. An der inneren Hülse 331 ist weiterhin in einem unteren Endabschnitt eine ringförmig umlaufende Schul ter 334 ausgebildet ist. Auf dieser Schulter 334 sitzt die mittlere Hülse 332 mit einer in einem unteren Endabschnitt ringförmig umlaufenden Nut 335 auf. An dieser mittleren Hülse 332 ist außerdem in einem oberen Endabschnitt 4 eine weitere ringförmig umlaufende Nut 336 ausgebildet, in die die äußere Hülse 333 mit einer in einem oberen Endabschnitt umlaufenden Schulter 337 eingreift. Diese äußere Hülse 333 weist in ihrem unteren Endabschnitt weiterhin vorzugsweise einen verbreiter ten Flanschbereich 338 auf, der form- und/oder kraftschlüssig mit der Bodenplatte 32, vorzugsweise in Form einer Schweiß verbindung 322, verbunden ist. Diese Bodenplatte 32 kann wie derum fest an der Stelleinrichtung angebracht werden.

Alternativ zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform kann das Gehäuse 3 auch ohne Bodenplatte 32 ausgeführt wer den, wobei dann der Flanschbereich 338 der äußeren Hülse 333 mit der Stelleinrichtung fest verbunden wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Hülsenverbund 33 wird zur Kraftübertragung im wesentlichen die gesamte Länge aller drei Hülsen 331, 332, 333 des Hülsenverbundes genutzt.

Das aus einer Quarzkeramik bestehende vorgespannte Pie zoelement 1 dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung aus, wo bei der thermische Ausdehnungskoeffizient α_p der Quarzkeramik bei 2,5 . 10^-6 m/m°C liegt. Es ergibt sich dann eine Längenän derung des Piezoelements von Δx = α_p . x . ΔT, wobei x die Länge des Piezoelements und ΔT die Temperaturdifferenz [in °C] ist.

Um zu verhindern, daß diese durch eine Temperaturände rung hervorgerufene Längenänderung des Piezoelements 1 die Position des Piezoelements in bezug auf die Stelleinrichtung verschiebt und damit die Wirkverbindung zwischen Piezoelement und Stelleinrichtung beeinflußt, wird diese Längenanordnung durch eine entsprechende thermische Anpassung des Gehäuses 3 der Aktoreinheit aufgefangen. Die relevante Länge y des Ge häuses 3 zur Aufnahme der durch eine Temperaturänderung her vorgerufenen Längenänderung des Piezoelements 1 ist dabei der Abstand zwischen der als Bezugsebene a₁ in Fig. 1 bezeichnete Anliegefläche des Piezoelements 1 an der Kopfplatte 31 des Gehäuses 3 und die als Bezugsebene a₂ gekennnzeichnete Anlie gefläche des. Gehäuses 3 an der Stelleinrichtung gegeben.

Unter der Annahme, daß der Betätigungsstift 2 im wesent lichen keiner thermischen Längsdehnung bei Temperaturänderun gen unterliegt, muß die Länge y des Hülsenverbundes 33 die Längenänderung des Piezoelements 1 mitvollziehen, um eine Po sitionsverschiebung des Piezoelements 1 in bezug auf die Stelleinrichtung bei einer Temperaturänderung zu verhindern. Da bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Länge x des Piezoelements 1 im wesentlichen der für eine Temperatur ausdehnung relevanten Länge y des Hülsenverbundes 33 ent spricht, bedeutet dies, daß der thermische Ausdehnungskoeffi zient des Hülsenverbundes 33 auf den thermischen Ausdehnungs koeffizienten des Piezoelements 1 abgestimmt werden muß.

Gemäß der Erfindung werden die Werkstoffe für die Hülsen 331, 332, 333 so gewählt, daß die innere Hülse 331 und die äußere Hülse 333 aus einem Werkstoff A gefertigt werden, die mittlere Hülse 332 dagegen aus einem Werkstoff B, wobei das Material A einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizi enten als das Material B besitzt. Hieraus ergibt sich ein thermischer Ausdehnungskoeffizient α_H für den Hülsenverband 33 von

α_H = 2 . α_A - α_B,

wobei α_A der thermische Ausdehnungskoeffizient des Werkstof fes A und α_B der thermische Ausdehnungskoeffizient des Werk stoffes B ist.

Wenn als Werkstoff A ein chromlegierter Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizient α_A = 10 . 10^-6 m/m°C und als Werkstoff B nickellegierter chemisch beständiger Stahl mit α_B = 17,5 . 10^-6 m/m°C verwendet werden, ergibt sich dann für den Hülsenverbund 33 gemäß der obigen Formel ein thermi scher Ausdehnungskoeffizient von α_H = 2,5 . 10^-6 m/m°C, der dem des vorgespannten Piezoelements entspricht. Durch den Hülsenverbund 33 läßt sich so somit vollständig die aufgrund einer Temperaturänderung hervorgerufene Längenänderung des Piezoelements 1 kompensieren. Der Einsatz von chromlegiertem Stahl als Werkstoff A und nickellegiertem chemisch beständi gen Stahl als Werkstoff B ermöglicht eine kostengünstige Her stellung des Gehäuses 3. Durch die Verwendung dieser Werk stoffe wird außerdem eine einfache Verarbeitung und eine hohe Festigkeit des Gehäuses erreicht.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfin dungsgemäßen Aktoreinheit. Bei dieser Ausführungsform ist im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die in nere Hülse 311 an ihrem unteren Endabschnitt über eine Schweißverbindung 339 an den unteren Endabschnitt der mittle ren Hülse 332 angeschlossen. Die mittlere Hülse 332 ist wie derum an ihrem oberen Endabschnitt mit dem oberen Endab schnitt der äußeren Hülse 333 über eine Schweißverbindung 340 verbunden.

Die Schweißverbindungen 339, 340 sowie auch die Schweiß verbindungen 311 zwischen der inneren Hülse 331 und der Kopf platte 31 sowie die Schweißverbindung 322 zwischen der äuße ren Hülse 333 und der Bodenplatte 32 sind dabei - wie Fig. 2B zeigt - vorzugsweise in Form von Schweißpunkten ausgeführt, wodurch eine besonders einfache Gehäusefertigung möglich wird. Zwischen der inneren Hülse 331, der mittleren Hülse 332 und der äußeren Hülse 333 ist weiterhin ein radiales Spiel vorgesehen, so daß sich die unterschiedlichen radialen Hülsenausdehnungen bei Temperaturänderungen ausgleichen lassen, ohne daß innere Spannungen im Hülsenverbund 33 auftreten.

Claims

1. Piezoelektrische Aktoreinheit, insbesondere zur Betätigung eines Brennstoffeinspritzventils mit folgenden Merkmalen:

a) ein Piezoelement (1) ist in einem hülsenförmigen Gehäuse (3) angeordnet,
b) das Gehäuse (3) besteht aus zwei verschiedenen, derart ge wählten Werkstoffen, dass der sich ergebende thermische Aus dehnungskoeffizient des Hülsenverbundes (33) im wesentlichen dem des Piezoelements (1) entspricht,
c) ein oberer Endabschnitt des Gehäuses ist form- und/oder kraftschlüssig mit dem Piezoelement (1) verbunden;

dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Gehäuse (3) wenigstens eine innere Hülse (331), eine mittlere Hülse (332) und eine äußere Hülse (333) aufweist, die ineinandergesteckt sind,
b) die innere Hülse (331) form- und/oder kraftschlüssig an einem oberen Endabschnitt mit dem Piezoelement (1) und an ei nem unteren Endabschnitt mit dem unteren Endabschnitt der mittleren Hülse (332) verbunden ist,
c) die äußere Hülse (333) form- und/oder kraftschlüssig mit einem oberen Endabschnitt der mittleren Hülse (332) verbunden ist,
d) die innere Hülse (331) und die äußere Hülse (333) aus ei nem Werkstoff A und die mittlere Hülse (332) aus einem Werk stoff B bestehen, wobei der Werkstoff A einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Werkstoff B be sitzt.

2. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1, wobei die innere Hülse (331) und die äußere Hülse (333) aus einem chromlegierten Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10 . 10^-6 m/m°C und die mittlere Hülse (332) aus einem nickelle gierten Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17,5 . 10^-6 m/m°C besteht.

3. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Hülse (331), die mittlere Hülse (332) und die äußere Hülse (333) formschlüssig miteinander verbunden sind.

4. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Hülse (331), die mittlere Hülse (332) und die äußere Hülse (333) vorzugsweise punktförmig miteinander verschweißt sind.

5. Aktoreinheit gemäß Anspruch 4, wobei zwischen der inneren Hülse (331) der mittleren Hülse (332) und der äußeren Hülse (333) jeweils ein radiales Spiel vorgesehen ist.