DE19947071A1

DE19947071A1 - Noise-damped actuator unit

Info

Publication number: DE19947071A1
Application number: DE19947071A
Authority: DE
Inventors: Guenther Lewentz; Karin Schorn; Heinz Lixl
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2019-10-01
Also published as: ITMI20002109A0; FR2799239B1; ITMI20002109A1; DE19947071B4; FR2799239A1; IT1318944B1

Abstract

Eine Aktoreinheit mit einem Aktor weist an einer Kontaktfläche eines Aktorgehäuses mit einem das Aktorgehäuse aufnehmenden Injektorkörper ein Element aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften auf.An actuator unit with an actuator has an element made of a material with vibration-damping properties on a contact surface of an actuator housing with an injector body receiving the actuator housing.

Description

Noise-damped actuator unit

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit mit einem piezoelek trischen Aktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Aktoreinheit ist zum Beispiel in der DE 38 44 134 C2 beschrieben.The invention relates to an actuator unit with a piezoelectric trical actuator according to the preamble of claim 1. A such an actuator unit is, for example, in DE 38 44 134 C2 described.

Bei der Kraftstoffversorgung von Brennkraftmaschinen werden zunehmend Speichereinspritzsysteme eingesetzt, bei denen mit sehr hohen Einspritzdrücken und schnellen Schaltgeschwindig keiten gearbeitet wird. Bei diesen Speichereinspritzsystemen wird Kraftstoff mit Hilfe von Kraftstoffinjektoren in die Brennkraftmaschine eingespritzt. Der Kraftstoffinjektor weist im allgemeinen eine Einspritzdüse auf, die hydraulisch von einem Servoventil geöffnet und geschlossen wird, um den zeit lichen Verlauf des Einspritzvorgangs in die Brennkammer genau festzulegen. Das Servoventil wird dabei von einem elektrisch angesteuerten Aktor betätigt, wobei sich vor allem der Ein satz von piezoelektrischen Aktoren zum Erzielen ausreichend kurzer Schaltzeiten als vorteilhaft erwiesen hat. In einem solchen piezoelektrischen Aktor wird durch Anlegen von Span nung eine Längsdehnung hervorgerufen, die auf das Servoventil übertragen wird, das dann wiederum die Einspritzdüse öffnet oder schließt.When fueling internal combustion engines memory injection systems are increasingly used, where with very high injection pressures and fast switching speeds working. With these accumulator injection systems is injected into the fuel using fuel injectors Internal combustion engine injected. The fuel injector points generally an injector that is hydraulically driven by a servo valve is opened and closed at the time exact course of the injection process into the combustion chamber to be determined. The servo valve is powered by an electric actuated actuator is actuated, especially the one set of piezoelectric actuators sufficient to achieve short switching times has proven to be advantageous. In one such piezoelectric actuator is made by applying span elongation caused on the servo valve is transmitted, which then in turn opens the injection nozzle or closes.

Die extrem schnellschaltenden piezoelektrischen Aktoren mit Schaltzeiten im Bereich von unter 200 µs lösen jedoch hoch frequente mechanische Schwingungen in dem den Piezoaktor um gebenden Gehäuse aus, die sich entlang des Injektorkörpers fortpflanzen und in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingeleitet werden. Diese auf den Injektorkörper und den Zy linderkopf übertragenen Schwingungen führen zu einer erhebli chen Geräuschbelastung und beeinflussen so negativ den Fahr komfort.The extremely fast switching piezoelectric actuators with Switching times in the range of less than 200 µs, however, solve high Frequent mechanical vibrations around the piezo actuator giving housing that extends along the injector body reproduce and in the cylinder head of the internal combustion engine be initiated. This on the injector body and the Zy vibrations transmitted from the linderkopf lead to an elevation Chen noise pollution and thus negatively affect the driving Comfort.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb eine Ak toreinheit bereitzustellen, bei der auf kostengünstige und platzsparende Weise eine weitgehende Kompensation der Geräu schemission erreicht wird.The object of the present invention is therefore an Ak To provide a gate unit that is inexpensive and space-saving way of extensive compensation of the noise is achieved.

Diese Aufgabe wird durch eine Aktoreinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an actuator unit according to claim 1 solved. Preferred embodiments are in the dependent ones Claims specified.

Bei der erfindungsgemäßen Aktoreinheit ist in einem Kontakt bereich zwischen einem den Aktor aufnehmenden Gehäuse und ei nem Injektorkörper ein Element aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften vorgesehen. Schallemissi onsmessungen bei Aktoreinheiten haben nämlich gezeigt, daß die vom Aktor auf das mit dem Aktor verbundene Gehäuse über tragenen hochfrequenten mechanischen Schwingungen, die sich auf den Injektorkörper fortpflanzen, die entscheidende Ge räuschquelle darstellt. Durch die schwingungsmäßige Abkopp lung des Aktorgehäuses vom Injektorkörper mittels eines zwi schengeschalteten schwingungsdämpfenden Elements wird verhin dert, daß der Injektorkörper vom Aktorgehäuse zu Schwingungen angeregt wird, die an der Oberfläche des Injektorkörpers zu Störgeräuschen führen könnten.In the actuator unit according to the invention is in contact area between a housing receiving the actuator and egg nem injector body with an element made of a material anti-vibration properties provided. Schallemissi namely measurements on actuator units have shown that from the actuator to the housing connected to the actuator carried high-frequency mechanical vibrations, the propagate on the injector body, the crucial Ge represents source of noise. Due to the vibration decoupling tion of the actuator housing from the injector body by means of a zwi switched vibration-damping element is prevented changes that the injector body from the actuator housing to vibrations is excited, which on the surface of the injector body Could cause noise.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors mit einer ersten Ausführungsform der er findungsgemäßen Aktoreinheit; und Fig. 1 shows a longitudinal section through an actuator of a fuel injector with a first embodiment of he inventive actuator unit; and

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit. Fig. 2 shows a longitudinal section through an actuator of a fuel injector with a second embodiment of an actuator unit according to the invention.

In Fig. 1 setzt sich ein Stellantrieb eines Kraftstoffinjek tors im wesentlichen aus einem Injektorkopfgehäuse 1 mit ei ner stufenartig ausgebildeten Innenbohrung 11, einem piezo elektrischen Aktor 2 und einem Servoventil 3 zusammen. Der piezoelektrische Aktor 2 ist dabei aus mehreren übereinander gestapelten piezoelektrischen Einzelelementen 21 aufgebaut, die in einem als Rohrfeder ausgebildeten Hohlkörper 22 ange ordnet sind. Dieser Hohlkörper 22 ist form- und/oder kraft schlüssig, vorzugsweise durch Anschweißen jeweils mit einer Kopfplatte 23 und einer Bodenplatte 24 verbunden, die die aufeinandergestapelten piezoelektrischen Einzelelemente 21 mit einer vordefinierten Kraft von vorzugsweise 800 bis 1000 N vorspannen.In Fig. 1, an actuator of a fuel injector is composed essentially of an injector head housing 1 with egg ner stepped inner bore 11 , a piezoelectric actuator 2 and a servo valve 3 together. The piezoelectric actuator 2 is constructed from a plurality of stacked piezoelectric individual elements 21 which are arranged in a hollow body 22 formed as a tubular spring. This hollow body 22 is positively and / or non-positively, preferably by welding, each connected to a head plate 23 and a base plate 24 , which prestress the stacked piezoelectric individual elements 21 with a predefined force of preferably 800 to 1000 N.

Zum Ansteuern der piezoelektrischen Einzelelemente 21 sind längs dieser Elemente Kontaktstifte (nicht gezeigt) angeord net, die mit den Einzelelementen leitend in Verbindung stehen und aus der Kopfplatte 23 herausragen. Diese Kontaktstifte werden in einem auf die Kopfplatte aufgesetzten Aktoranschluß mit einer Spannung belegt, die eine Längsdehnung des piezo elektrischen Aktors 2 bewirkt. Der als Rohrfeder ausgebildete Hohlkörper 22 gewährleistet aufgrund seiner Elastizität, daß die im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufene Längsdehnung von diesem Hohlkörper mitvollzogen wird.To control the piezoelectric individual elements 21 are along these elements contact pins (not shown) angeord net, which are conductively connected to the individual elements and protrude from the head plate 23 . These contact pins are applied with a voltage in an actuator connection placed on the head plate, which causes a longitudinal expansion of the piezoelectric actuator 2 . Due to its elasticity, the hollow body 22 designed as a tubular spring ensures that the longitudinal expansion caused in the piezoelectric actuator 2 is carried out by this hollow body.

Der piezoelektrische Aktor 2 ist weiterhin von einem hülsen förmigen Aktorgehäuse 25 eingefaßt, das am oberen Ende mit der Kopfplatte 23 verbunden ist. Das Aktorgehäuse 25 ist da bei fest in die stufig ausgebildete Innenbohrung 11 im Injek torkopfgehäuse eingespannt. Die Innenbohrung 11 weist im Be reich des Injektorkopfgehäuses 1 vier Stufen 111, 112, 113, 114 auf, deren Durchmesser sich von innen nach außen vergrö ßern. Das Aktorgehäuse 25 sitzt in der zweiten Stufe 112, wo bei der Außendurchmesser des Gehäuses 25 im wesentlichen an den Innendurchmesser dieser Stufe angepaßt ist.The piezoelectric actuator 2 is also surrounded by a sleeve-shaped actuator housing 25 which is connected to the top plate 23 at the upper end. The actuator housing 25 is clamped tightly in the step-shaped inner bore 11 in the injector head housing. The inner bore 11 has four stages 111 , 112 , 113 , 114 in the area of the injector head housing 1 , the diameter of which increase from the inside to the outside. The actuator housing 25 is located in the second stage 112 , where the outer diameter of the housing 25 is essentially matched to the inner diameter of this stage.

Das Aktorgehäuse 25 wird von einer Hohlschraube 12 festgehal ten, deren Innendurchmesser an den Außendurchmesser des Ak torgehäuses 25 angepaßt ist und die mit einem Außengewinde in einem in der ersten Stufe 111 angebrachten Innengewinde ein geschraubt ist. Die Hohlschraube 12 drückt im eingeschraubten Zustand mit ihrer innenliegenden Stirnfläche 121 gegen eine Einlegscheibe 13, die um das Aktorgehäuse 25 umlaufend in der ersten Stufe 111 angeordnet ist. Die Einlegscheibe 13 wieder um hält einen Spannringträger 27 fest, der in der ersten Stu fe 111 unterhalb der Einlegscheibe 13 angeordnet ist. Der Spannringträger 27 greift mit einer Druckringnut 271 an einen um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 26 an, der in einer Spannringnut 252 im Aktorgehäuse 25 sitzt, und hält so das Aktorgehäuse 25 in der Innenbohrung 11 im Injektorkopfge häuse 1 fest.The actuator housing 25 is Festgehal th of a banjo bolt 12 , the inner diameter of which is adapted to the outer diameter of the actuator housing 25 and which is screwed with an external thread in an internal thread attached in the first stage 111 . In the screwed-in state, the hollow screw 12 presses with its inner end face 121 against a washer 13 which is arranged around the actuator housing 25 in the first stage 111 . The washer 13 again holds a clamping ring carrier 27 , which is arranged in the first stage 111 below the washer 13 . The clamping ring carrier 27 engages with a pressure ring groove 271 on a circumferential around the actuator housing 25 clamping ring 26 , which sits in a clamping ring groove 252 in the actuator housing 25 , and thus holds the actuator housing 25 in the inner bore 11 in the injector housing 1 .

Das Aktorgehäuse 25 wird im eingespannten Zustand weiterhin mit seiner unteren Stirnfläche 251 auf eine ringförmig umlau fende Auflagscheibe 51 gedrückt, die auf einen Absatz in der zweiten Stufe 112 der Innenbohrung 11 abgestützt ist. Das Ak torgehäuse 25 ist außerdem im Bereich seiner innenliegenden Stirnfläche 251 nach außen abgeschrägt, um eine möglichst kleine Kontaktfläche zwischen der Stirnfläche 251 und der Auflagscheibe 51 herzustellen.The actuator housing 25 is still pressed in the clamped state with its lower end face 251 on an annularly umlau fende washer 51 , which is supported on a shoulder in the second stage 112 of the inner bore 11 . The Ak torgehäuse 25 is also chamfered in the region of its inner end face 251 to the outside to produce the smallest possible contact area between the end face 251 and the washer 51 .

Auf der Bodenplatte 24 des piezoelektrischen Aktors 2 ist mittig ein Aufsatz 241 vorgesehen. Um diesen Aufsatz 241 her um ist eine Membran 6 angeordnet, die sich vom Aufsatz 241 bis zur Innenwandung des Injektorkopfgehäuses 1 erstreckt. Die Membran 6 ist dabei so ausgelegt, daß sie die durch Elek trostriktion im piezoelektrischen Aktor 2 hervorgerufenen Längsdehnungen nahezu ohne Widerstand nachvollzieht.An attachment 241 is provided centrally on the base plate 24 of the piezoelectric actuator 2 . A membrane 6 is arranged around this attachment 241 , which extends from the attachment 241 to the inner wall of the injector head housing 1 . The membrane 6 is designed so that it reproduces the longitudinal strains caused by electrostriction in the piezoelectric actuator 2 almost without resistance.

Die durch Elektrostriktion erzeugten Längsdehnungen des pie zoelektrischen Aktors 2 werden 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 dritten Stufe 113 der In nenbohrung 11 des Injektorkopfgehäuses 1 angeordneten Ein stellscheibe 52 abgestützt ist. Die vom piezoelektrischen Ak tor 2 mit Hilfe des Hebelübersetzers 8 auf den Ventilkolben 31 des Servoventils 3 übertragene Bewegung wird dann im Kraftstoffinjektor zum Öffnen und Schließen einer Einspritz düse (nicht gezeigt) genutzt.The longitudinal strains generated by electrostriction of the pie zoelectric actuator 2 are transmitted and amplified by a lever translator 8 to the servo valve 3 , the He translator 8 clamped between the attachment 241 of the base plate 24 and a valve piston 31 of the servo valve 3 and with one leg on one in the third stage 113 of the inner bore 11 of the injector head housing 1 arranged an adjusting plate 52 is supported. The movement transmitted from the piezoelectric actuator 2 using the lever translator 8 to the valve piston 31 of the servo valve 3 is then used in the fuel injector to open and close an injection nozzle (not shown).

Durch den Einsatz des piezoelektrischen Aktors 2 sind sehr schnelle Schaltzeiten des Kraftstoffinjektors möglich. Der extrem schnell schaltende piezoelektrische Aktor 2 hat jedoch konzeptionsbedingt den Nachteil, daß er laute und hochfre quente Schaltgeräusche abgibt. Die durch Elektrostriktion hervorgerufene Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors regt das den piezoelektrischen Aktor 2 umgebende Aktorgehäuse 25 zu mechanischen Schwingungen an. Um zu verhindern, daß diese mechanischen Schwingungen über die Kontaktflächen zwischen dem Aktorgehäuse 25 und dem Injektorkopfgehäuse 1 auf den Kraftstoffinjektor übertragen werden, ist die Einlegscheibe 13 zwischen der Hohlschraube 12 und dem Spannringträger 27 aus einem schwingungsdämpfenden Material hergestellt. Weiter hin ist vorzugsweise auch die Auflagscheibe 51 zwischen der Stirnfläche 251 des Aktorgehäuses 25 und dem Absatz an der zweiten Stufe 112 der Innenbohrung 11 des Injektorkopfgehäu ses 1 ist aus dem schwingungsdämpfenden Material gefertigt. Bei der Materialauswahl für die Einlegscheibe 13 und die Auf lagscheibe 51 ist weiterhin berücksichtigt, daß sowohl die Einlegscheibe 13 als auch die Auflagscheibe 51 eine hohe Druckfestigkeit und eine ausreichende Temperatur- und Kraft stoffbeständigkeit besitzen sollen. Als geeignetes Material für die Einlegscheibe 13 und die Auflagscheibe 51 hat sich dabei insbesondere Graphit und Teflon erwiesen.By using the piezoelectric actuator 2 , very fast switching times of the fuel injector are possible. The extremely fast switching piezoelectric actuator 2 , however, has the disadvantage, by design, that it emits loud and high-frequency switching noises. The longitudinal expansion of the piezoelectric actuator caused by electrostriction excites the actuator housing 25 surrounding the piezoelectric actuator 2 to mechanical vibrations. In order to prevent these mechanical vibrations from being transmitted to the fuel injector via the contact surfaces between the actuator housing 25 and the injector head housing 1 , the washer 13 between the banjo bolt 12 and the clamping ring carrier 27 is made of a vibration-damping material. Further, preferably the washer 51 between the end face 251 of the actuator housing 25 and the shoulder on the second step 112 of the inner bore 11 of the injector head housing 1 is made of the vibration-damping material. When selecting the material for the washer 13 and the washer 51, it is also taken into account that both the washer 13 and the washer 51 should have a high compressive strength and sufficient temperature and force resistance. Graphite and Teflon in particular have proven to be a suitable material for the washer 13 and the washer 51 .

Die abgeschrägte Ausführung des Aktorgehäuses 25 im Bereich der unteren Stirnfläche 251 hat weiter den Vorteil, daß die Kontaktfläche zwischen dem Aktorgehäuse 25 und dem Injektor kopfgehäuse 1 verkleinert und damit die mögliche Schallein leitungsfläche vermindert wird. Durch die Verwendung eines Werkstoffs mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Aktorgehäuse 25 und dem Injek torkopfgehäuse 1 werden die vom piezoelektrischen Aktor 2 auf das Aktorgehäuse 25 übertragenen hochfrequenten Schwingungen aufgefangen und so verhindert, daß die Oberfläche des Kraft stoffinjektors sich in eine Schallquelle verwandelt.The beveled design of the actuator housing 25 in the region of the lower end face 251 has the further advantage that the contact area between the actuator housing 25 and the injector head housing 1 is reduced and thus the possible sound line area is reduced. By using a material with vibration-damping properties in the area of the contact surface between the actuator housing 25 and the injector head housing 1 , the high-frequency vibrations transmitted from the piezoelectric actuator 2 to the actuator housing 25 are absorbed and thus prevent the surface of the fuel injector from being transformed into a sound source .

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform für die schwin gungsmäßige Abkopplung des Aktorgehäuses 25 von dem ihm auf nehmenden Injektorkopfgehäuse 1. Im folgenden werden nur die Unterschiede zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsformen beschrieben. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist auf eine zusätzliche Einlegscheibe aus schwingungsdämpfenden Material verzichtet. Statt dessen ist ein Spannringträger 270 aus einem schwingungsdämpfenden Werkstoff gefertigt. Dieser Spannringträger 270 ist dabei um das Aktorgehäuse 25 umlau fend ausgelegt und wird von einer Ringnut 121 an einer Hohl schraube 120 festgehalten. Der Spannringträger 270 greift weiterhin mit der Druckringnut 271 an dem um das Aktorgehäuse 25 umlaufenden Spannring 26 an und hält so das Aktorgehäuse fest. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß keine zu sätzliche Einlegscheibe zur schwingungsmäßigen Abkopplung des Aktorgehäuses 25 vom Injektorkopfgehäuse 1 notwendig ist. Fig. 2 shows a further embodiment for the vibrational uncoupling of the actuator housing 25 from the injector head housing 1 taking it. Only the differences from the embodiments shown in FIG. 1 are described below. In the embodiment shown in FIG. 2, an additional washer made of vibration-damping material is dispensed with. Instead, a clamping ring carrier 270 is made of a vibration-damping material. This clamping ring carrier 270 is designed around the actuator housing 25 umlau fend and is held by an annular groove 121 on a hollow screw 120 . The clamping ring carrier 270 continues to engage with the pressure ring groove 271 on the clamping ring 26 rotating around the actuator housing 25 and thus holds the actuator housing in place. This embodiment has the advantage that no additional washer is required for the vibration-related decoupling of the actuator housing 25 from the injector head housing 1 .

Ergänzend zu den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausfüh rungsformen besteht auch die Möglichkeit einer zusätzlichen schwingungsmäßigen Abkopplung der Kontaktfläche zwischen ei nem Zylinderkopf und dem Kraftstoffinjektor. Anstelle der üb licher Weise als Kontaktelement zwischen einem Zylinderkopf und dem Kraftstoffinjektor verwendeten Kupferscheiben wird dann eine Scheibe aus schwingungsdämpfenden Material, ähnlich wie im Übergangsbereich zwischen dem Aktorgehäuse und dem In jektorkopfgehäuse eingesetzt.In addition to the embodiments shown in FIGS . 1 and 2, there is also the possibility of an additional vibration decoupling of the contact surface between a cylinder head and the fuel injector. Instead of the usual copper element used as a contact element between a cylinder head and the fuel injector, a disc made of vibration-damping material is then used, similar to the transition area between the actuator housing and the injector head housing.

Claims

1. actuator unit having an actuator (2) and a the actuator vice reproduced actuator housing (25), wherein the actuator housing (25) is positively / frictionally connected and or to the actuator, characterized in that at a contact surface of the actuator housing (25) an element ( 13 ; 270 ; 51 ) made of a material with vibration-damping properties is provided with an injector body ( 1 ) accommodating the actuator housing.

2. Actuator unit according to claim 1, characterized in that the actuator housing ( 25 ) of a banjo bolt ( 12 ) and a clamping ring carrier ( 27 ) on the injector body ( 1 ) is held, one between the hollow screw ( 12 ) and the clamping ring carrier ( 27 ) arranged a washer ( 13 ) from the vibration-damping material Herge is.

3. Actuator unit according to claim 1, characterized in that the actuator housing ( 25 ) of a banjo bolt ( 12 ) and a clamping ring carrier ( 27 ) on the injector body ( 1 ) is held, the clamping ring carrier ( 27 ) being made of the vibration-damping material .

4. Actuator unit according to one of claims 1 to 3, characterized in that a washer ( 51 ) between an end face ( 251 ) of the actuator housing ( 25 ) and the injector body ( 1 ) is made of the vibration-damping material.

5. Actuator unit according to one of claims 1 to 4, there characterized in that the material with vibration-damping properties is graphite or teflon.

6. Actuator unit according to one of claims 1 to 5, characterized in that the actuator housing ( 25 ) in the area of a contact surface ( 251 ) with the injector body ( 1 ) has the smallest possible support.

7. Actuator unit according to one of claims 1 to 6, characterized in that the actuator ( 2 ) is a piezo actuator.