DE10319586A1

DE10319586A1 - Aktoreinheit für ein piezogesteuertes Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE10319586A1
Application number: DE10319586A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kienzler; Dietmar Uhlmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2004-11-18

Abstract

Es wird eine Aktoreinheit, welche zum Betätigen eines Kraftstoffeinspritzventils einer Einspritzanlage für Brennkraftmaschinen geeignet ist, vorgeschlagen. Die Aktoreinheit besteht aus einem piezoelektrischen Aktor 1 und einem als Feder ausgebildeten Hohlkörper 4. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Hohlkörpers 4 kann die Lebensdauer der Aktoreinheit verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit bestehend aus einem piezoelektrischen Aktor. Solche Aktoreinheiten werden unter anderem bei Kraftstoffeinspritzsystemen und insbesondere in Kraftstoffeinspritzventilen eingesetzt, da die Schaltzeiten solcher Aktoreinheiten sehr kurz sind. Die kurzen Schaltzeiten erlauben einer exaktere Bemessung der eingespritzten Kraftstoffmenge und ermöglichen eine verbesserte Formung des zeitlichen Verlaufs der Einspritzung. Unter dem Sammelbegriff "Kraftstoffeinspritzventil" werden im Zusammenhang mit der Erfindung sämtliche Bauarten von Kraftstoffeinspritzventil, wie zum Beispiel Injektoren für Common-Rail-Einspritzsysteme oder Einspritzdüsen konventioneller Kraftstoffeinspritzanlagen verstanden.

Betätigt wird ein Kraftstoffeinspritzventil mit Piezo-Aktor dadurch, dass der piezoelektrische Aktor mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, wodurch sich der piezoelektrische Aktor aufgrund bekannter physikalischer Effekte der Piezokeramik schnell ausdehnt und ein Ventilschließglied von einem Ventilsitz abhebt. Der piezoelektrische Aktor hat eine gewisse Masse, die dabei beschleunigt wird. Wird die an den Aktor angelegte Spannung reduziert, hat der Aktor das Bestreben, sich zusammenzuziehen. Aufgrund der Massenträgheit der zuvor beschleunigten Masse des Aktors entstehen dadurch in Abhängigkeit der Ansteuergeschwindigkeit Zugkräfte im Aktor, die zu Beschädigungen des piezoelektrischen Aktors, insbesondere zu Rissen in den Lötverbindungen zwischen den einzelnen Schichten des piezoelektrischen Aktors, führen. Um derartige Beschädigungen zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, den piezoelektrischen Aktor mittels eines als Feder ausgebildeten zylindrischen Hohlkörpers in axialer Richtung vorzuspannen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der WO 00/08353 (Siemens) bekannt. Dieser Hohlkörper ist aus einem ebenen Blech gebogen und wird an der dabei entstehenden ersten Fuge verschweißt. Die erste Fuge verläuft dabei parallel zur Längsachse des Hohlkörpers.

Das Verschweißen der ersten Fuge hat unter anderem folgende Nachteile: Das Schweißen verursacht eine in der Regel unerwünschte Gefügeveränderung des Hohlkörpers in unmittelbarer Nähe der Schweißnaht. Ein zweites Problem sind die beim Schweißen entstehenden Schweißspritzer, welche Schwierigkeiten bei der Montage der Aktoreinheit mit sich bringen können oder sogar zu Funktionsausfällen des Kraftstoffeinspritzventils führen können, wenn sich während des Betriebs einer oder mehrere Schweißspritzer lösen. Ein drittes Problem ist das Einsinken der Schweißnaht (Nahteinfall) an Beginn und Ende der Schweißaht und die daraus resultierenden Kerbwirkung und Spannungsspitzen.

Vorteile der Erfindung

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Aktoreinheit mit einem Hohlkörper und einem piezoelektrischen Aktor, wobei der Hohlkörper elastisch ausgebildet ist und den Aktor vorspannt, wobei der Hohlkörper mit Ausnehmungen versehen ist und eine durch zwei Kanten gebildete Fuge aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ein Steg vorhanden ist, und wobei der Hohlkörper ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, dadurch gelöst, dass die Kanten gegenüber dem übrigen Hohlkörper verstärkt ausgebildet sind.

Dadurch kann die Schwächung des Hohlkörpers, welche durch die Fuge verursacht wird, kompensiert werden, so dass im Ergebnis die Federrate des Hohlkörpers über den gesamten Umfang gleich ist und somit der vorgespannte Hohlkörper Federkräfte ausschließlich in Längsrichtung auf die mit ihm verbundenen Bauteile ausübt. Querkräfte oder Biegemomente werden von dem erfindungsgemäßen Hohlkörper nicht auf die mit ihm verbundenen Bauteile, insbesondere nicht auf einen von dem Hohlkörper unter Vorspannung gesetzten piezoelektrischen Aktor, ausgeübt. Dadurch verbessern sich die Einsatzbedingungen des piezoelektrischen Aktors und somit erhöht sich auch die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Aktoreinheit.

Bei einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit sind die Kanten durch die Vergrößerung der Wandstärke des Hohlkörpers verstärkt.

Alternativ können die Kanten auch durch Falzen oder durch Anbringen mindestens eines Verstärkungsteils verstärkt sein.

Bei der letztgenannten Alternative hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das mindestens eine Verstärkungsteil stoffschlüssig, zum Beispiel durch Schweißen, insbesondere durch Punktschweißen oder Rollennahtschweißen, mit dem Hohlkörper verbunden ist. Durch Punktschweißen oder Rollennahtschweißen entstehen keine Schweißspritzer, welche die Funktion des Hohlkörpers beeinträchtigen können. Deshalb ist das Anbringen des mindestens einen Verstärkungsteils durch dieses Schweißverfahren ohne Weiteres möglich.

Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit kann das mindestens eine Verstärkungsteil kraftschlüssig mit dem Hohlkörper verbunden werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass je ein U-förmiges Verstärkungsteil in die Kanten, welche die Fuge begrenzen, gelegt wird und anschließend mit den Kanten verpresst wird.

Die Ausnehmungen werden in der Platine vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie, wenn die Platine zu einem Hohlkörper geformt wurde, in Ebenen angeordnet sind und die Ebenen parallel zueinander verlaufen. Dadurch wird das Verhalten des Hohlkörpers verbessert und dessen Herstellung vereinfacht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in axialer Richtung eine ungerade Zahl von Ebenen, in denen die Ausnehmungen angeordnet sind, vorgesehen ist. Bei in der Praxis erprobten Ausführungsbeispielen waren beispielsweise 15 oder 17 Ebenen vorteilhaft. Wenn eine ungerade Zahl von Ebenen in der Platine vorhanden ist, ist gewährleistet, dass sowohl die oberste Ebene als auch die unterste Ebene gleich sind und somit das Verhalten des Hohlkörpers an seinem oberen Ende gleich ist wie das Verhalten des Hohlkörpers an seinem unteren Ende. Auch diese Maßnahme verbessert das Verhalten des Hohlkörpers dahingehend, dass der Hohlkörper lediglich Federkräfte in axialer Richtung an seinen Stirnflächen auf den piezoelektrischer Aktor, einen Übersetzungskolben eines hydraulischen Kopplers oder andere Bauelemente des Injektors überträgt.

Es hat sich weiter als vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere Ausnehmungen in einer Ebene hintereinander angeordnet sind, und dass diese Ebene mit der Längsachse des Hohlkörpers einen rechten Winkel bildet. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn eine gerade Zahl von Ausnehmungen in einer Ebene vorhanden ist. Diese Anordnung führt dazu, dass die Federrate über den Umfang des Hohlkörpers konstant ist und somit keine Querkräfte in den Aktor eingeleitet werden.

Es hat sich aus Gründen der Herstellung und der Dauerfestigkeit des Hohlkörpers als günstig erwiesen, wenn die Ausnehmungen knochenförmig ausgebildet sind und quer zu einer Längsachse des Hohlkörpers verlaufen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Ausnehmungen zweier benachbarter Ebenen zueinander versetzt angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Versatz der Ausnehmungen zweiter benachbarter Ebenen gleich dem halben Rapport der Ausnehmungen einer Ebene ist. Der Begriff "Rapport" wird weiter unten im Zusammenhang mit der 3 noch ausführlich erläutert werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Aktoreinheit können weiter vergrößert werden, wenn der Hohlkörper parallel zu den Kanten zusätzliche Verstärkungen aufweist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abstand der zusätzlichen Verstärkungen von den Kanten im Wesentlichen dem Versatz der Ausnehmungen zweier benachbarter Ebenen entspricht. Die zusätzlichen Verstärkungen können auf die gleiche Weise wie die Verstärkungen an den Kanten ausgebildet sein. Dabei stellen sich die im Zusammenhang mit den Verstärkungen der Kanten genannten Vorteile auch bei den zusätzlichen Verstärkungen ein.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Hohlkörper einen kreisrunden Querschnitt oder der Querschnitt des Hohlkörpers die Form eines regelmäßigen Vielecks hat.

Um die Vorspannkraft von dem Hohlkörper auf den piezoelektrischen Aktor bestmöglich einleiten zu können, empfiehlt es sich, dass der Hohlkörper an seinem ersten Ende mit einer oberen Abdeckplatte oder einer Einstellscheibe und an seinem zweiten Ende mit einer unteren Abdeckplatte oder einem Kopplergehäuse verbunden ist. Diese Verbindungen können beispielsweise durch Schweißen oder Bördeln erfolgen.

Wenn nur eine radiale Fixierung des Hohlkörpers erforderlich ist, kann diese durch eine Ringnut oder einen Absatz in der oberen und/oder der unteren Abdeckplatte oder in der Einstellscheibe und dem Kopplergehäuse erfolgen. Dies kann beispielsweise dann ausreichend sein, wenn der Hohlkörper nicht auf Zug, sondern auf Druck belastet wird. Besonders vorteilhaft an diesen Ausführungsvarianten ist, dass durch die Ringnut und durch den Absatz der Hohlkörper relativ zu dem piezoelektrischen Aktor oder zu dem hydraulischen Koppler zentriert wird. Dieser Effekt kann weiter verbessert werden, wenn Ringnut und Absatz so bemessen werden, dass sie den Hohlkörper bei der Montage geringfügig aufweiten.

Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass der Hohlkörper an seinem ersten Ende und/oder an seinem zweiten Ende einen nicht durch Ausnehmungen perforierten Bereich aufweist. Dadurch wird die vom Hohlkörper auf eine Abdeckplatte oder ein anderes Bauteil des Injektors übertragene Federkraft vergleichsmäßig, da der Hohlkörper im Bereich seiner Enden gezielt versteift wird. Dies bedeutet, dass sich die Maxima der Federkraft über den Umfang des Hohlkörpers verringern und die Problematik der von dem Hohlkörper in den Piezoaktor eingeleiteten Querkräfte weiter entschärft wird.

Der erfindungsgemäße Hohlkörper kann bei Aktoreinheiten eingesetzt werden, in denen der piezoelektrischer Aktor im Hohlkörper angeordnet ist und bei denen der piezoelektrischer Aktor durch den vorgespannten Hohlkörper auf Druck belastet wird. Dies bedeutet, dass der Hohlkörper selbst auf Zug belastet wird.

Der erfindungsgemäße Hohlkörper kann aber ebenfalls an Aktoreinheiten eingesetzt werden, bei denen der piezoelektrischer Aktor außerhalb des Hohlkörpers angeordnet ist und der piezoelektrischer Aktor durch den vorgespannten Hohlkörper auf Druck belastet wird. In diesem Fall wird der Hohlkörper in der Regel auf Druck belastet.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit,
3 ein Beispiel für eine Platine aus der ein Hohlkörper gebogen wird,
4 bis 6 Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Hohlkörper in einer perspektivischen Darstellung
7 und 8 weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Hohlkörper in einer Draufsicht und
9 eine schematische Darstellung einer Kraftstoffeinspritzanlage und
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit dargestellt. Die Aktoreinheit besteht aus einem piezoelektrischen Aktor 1, der aus mehreren übereinander gestapelten piezoelektrischen Einzelelementen (nicht dargestellt) aufgebaut sein kann. Der piezoelektrische Aktor 1 wird über Kontaktstifte 2 angesteuert, die längs des Aktors 1 angeordnet sind und mit dem Aktor 1 elektrisch leitend verbunden sind. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Kontaktstiften 2 wird eine Längsdehnung des piezoelektrischen Aktors 1 erzeugt, die beispielsweise zum Steuern eines Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Der piezoelektrische Aktor 1 mit den Kontaktstiften 2 ist in einem als Rohrfeder ausgebildeten Hohlkörper 4 angeordnet. Der piezoelektrische Aktor 1 liegt mit seinen Stirnflächen jeweils an einer Abdeckplatte 5, 6 an, wobei die obere Abdeckplatte 6 Durchführungen 61 aufweist, durch die sich die Kontaktstifte 2 erstrecken. Die obere und untere Abdeckplatte 5, 6 sind jeweils form- und/oder kraftschlüssig, vorzugsweise durch Schweißen, mit dem Hohlkörper 4 verbunden. Die Schweißnähte zwischen der oberen und der unteren Abdeckplatte 5, 6 sowie des Hohlkörpers 4 sind in 1 nicht dargestellt. Alternativ kann die Verbindung zwischen dem Hohlkörper und den beiden Abdeckplatten 5, 6 zum Beispiel auch mit Hilfe einer Bördelung erfolgen, wobei die umgebördelten oberen und unteren Randbereiche des Hohlkörpers 4 jeweils in die Abdeckplatten 5, 6 eingreifen (nicht dargestellt).
Der piezoelektrische Aktor 1 wird durch den Hohlkörper 4 und die Abdeckplatten 5, 6 mit einer Vorspannkraft auf Druck beansprucht. D. h. der Hohlkörper 4 wird vor dem Verschweißen mit der oberen und unteren Abdeckplatte 5, 6 vorgespannt und dann verschweißt.
Der Hohlkörper 4 wird vorzugsweise aus Federstahl gefertigt. Um eine gewünschte Federrate bei vorgegebener Wandstärke "s" einstellen zu können, sind in den Hohlkörper 4 eine Vielzahl von Ausnehmungen 7 eingebracht. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Ausnehmungen in 9 mit Bezugszeichen versehen worden. Da sich die vielen Ausnehmungen 7 am besten durch Stanzen herstellen lassen, wird der Hohlkörper 4 in der Regel aus Blech gefertigt. Aus dem Blech wird zunächst eine Platine mit den Ausnehmungen 7 ausgestanzt. Anschließend wird die Platine gebogen, bis sie beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines regelmäßigen Vielecks hat. Dort wo die beiden Enden der gebogenen Platine aufeinander treffen, entsteht eine erste Fuge (in 1 nicht dargestellt).
In 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit dargestellt, die in einen piezobetätigten Injektor 71 integriert ist.
Da die vorliegende Erfindung im Wesentlichen eine Aktoreinheit und einen dazugehörigen Hohlkörper 4 betrifft, wird der Injektor 71 nicht in allen Details erläutert, sondern im Wesentlichen nur die Anbindung der Aktoreinheit an den Injektor 71 beschrieben. Die übrigen Funktionalitäten des Injektors 71 sind einem Fachmann auf dem Gebiet der Einspritztechnik ohnehin bekannt und bedürfen deshalb keiner näheren Erläuterung.
Der Injektor 71 hat einen Hochdruckanschluss 73. Über den Hochdruckanschluss 73 wird der Injektor 71 mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff (nicht dargestellt) versorgt. Wenn eine Einspritzung in den nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine erfolgen soll, hebt eine Düsennadel 75 von ihrem nicht dargestellten Sitz ab und gibt ebenfalls nicht dargestellte Spritzlöcher frei. Gesteuert wird die Düsennadel 75 über ein Steuerventil 77, welches über einen piezoelektrischen Aktor 79 betätigt wird. Zwischen dem piezoelektrischer Aktor 79 und dem Steuerventil 77 ist ein hydraulischer Koppler 81 angeordnet, welcher auf der rechten Seite von 2 vergrößert dargestellt ist.
Der hydraulische Koppler 81 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilkolben 83 und einem Übersetzerkolben 85, die in einem Kopplergehäuse 86 geführt werden. Zwischen dem Ventilkolben 83 und dem Übersetzerkolben 85 ist ein Kopplerspalt 87 vorhanden, welcher mit Kraftstoff (nicht dargestellt) gefüllt ist. Dieser Kopplerspalt 87 ist unter anderem deswegen notwendig, weil sich die Temperaturausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktors 79 und der metallischen Bauteile des Injektors 71 stark unterscheiden.
Mit seinem Ventilkolben 83 betätigt der hydraulische Koppler 81 das Steuerventil 77, während der Übersetzerkolben 85 mit einem Vorsprung 89 an den piezoelektrischer Aktor 79 anliegt. Der Übersetzerkolben 85 wird über einen erfindungsgemäßen Hohlkörper 4, welcher auf Druck vorgespannt ist, gegen den piezoelektrischer Aktor 79 gepresst, so dass dieser mit einer Druckvorspannung beaufschlagt wird. Dabei stützt sich der Hohlkörper mit seinem ersten Ende 15 gegen einen Absatz 91 des Kopplergehäuses 86 ab. Mit seinem zweiten Ende 17 stützt sich der Hohlkörper 4 gegen eine Einstellscheibe 93 ab. Über die Einstellscheibe 93 wird die Federkraft des Hohlkörpers 4 auf den Vorsprung 89 des Übersetzerkolbens 85 und damit auf den piezoelektrischen Aktor 79 übertragen.
Damit der Hohlkörper 4 konzentrisch zum hydraulischen Koppler 81 und damit auch konzentrisch zum piezoelektrischen Aktor 79 angeordnet ist, ist der Durchmesser D₁ des Absatzes 91 so auf den Innendurchmesser des Hohlkörpers 4 abgestimmt, dass der Hohlkörper 4 leicht aufgeweitet wird, wenn er auf den Absatz 91 aufgeschoben wird. Da der erfindungsgemäße Hohlkörper 4 eine sich über die gesamte Länge des Hohlkörpers 4 erstreckende erste Fuge 31 (nicht dargestellt) aufweist, lässt sich der Hohlkörper 4 relativ leicht so weit aufweiten, dass er auf den Absatz 91 passt.
Wenn, wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2, der Hohlkörper 4 mit einer Druckvorspannung beaufschlagt wird, genügt es, wenn dieser sich an seinen Enden 17 und 15 in axialer Richtung abstützen kann, wie dies in 2 dargestellt ist. Um die radiale Fixierung des Hohlkörper 4 weiter zu verbessern, kann in dem Absatz 91 und/oder in der Einstellscheibe 93 alternativ oder zusätzlich eine Ringnut (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
In 3 ist eine Platine 9 dargestellt, aus der ein erfindungsgemäßer Hohlkörper 4 gewickelt werden kann. In der Platine 9 ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 7 ausgestanzt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle Ausnehmungen 7, die bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine knochenförmige Form haben, mit Bezugszeichen versehen. Die Platine 9 ist rechteckig, wobei zwei einander gegenüberliegende Kanten 11 und 13 der Platine 9 von den Ausnehmungen 7 unterbrochen werden, während die einander gegenüberliegenden Kanten 15 und 17 gerade verlaufen und nicht von den Ausnehmungen 7 unterbrochen werden.
Die Platine 9 wird so zu einem zylindrischen oder vieleckigen Hohlkörper gewickelt, dass die Kanten 15 und 17 das erste Ende 15 und das zweite Ende 17 des Hohlkörpers 4 bilden (siehe 4) bilden. Das heißt, die in 3 nicht dargestellte Längsachse 35 (siehe 4) des Hohlkörpers 4 verläuft parallel zu den Kanten 11 und 13.
Wenn die Platine 9 in der oben genannten Weise zu einem Zylinder oder einem Vieleck gebogen wurde, berühren sich die Kanten 11 und 13 und bilden eine erste Fuge 31 (siehe 4 und 5), die parallel zur Längsachse 35 des Hohlkörpers 4 verläuft.
In der Platine 9 sind immer mehrere Ausnehmungen 7 in einer Reihe hintereinander angeordnet. Sie werden durch Stege 19 zwischen den Ausnehmungen getrennt. Auch bei den Stegen 19 wurde darauf verzichtet, alle Stege der Platine 9 mit Bezugszeichen zu versehen, um die Übersichtlichkeit nicht zu beeinträchtigen. Wenn die Platine 9 zu einem Hohlkörper in der zuvor beschriebenen Weise gebogen wird, liegen die hintereinander angeordneten Ausnehmungen 7 in einer Ebene. Beispielhaft ist in 3 eine Reihe von Ausnehmungen 7, die hintereinander angeordnet sind, durch eine Linie 20 gekennzeichnet. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Platine 9 sind 16 Reihen von sechs Ausnehmungen 7 zwischen der Kante 15 und der Kante 17 angeordnet.
Wie aus 3 ersichtlich, sind die Ausnehmungen 7 zweier benachbarter Reihen versetzt zueinander angeordnet. Dabei ist der Versatz so gewählt, dass er der halben Länge einer Ausnehmung 7 und eines Stegs 19 entspricht. Dieses Maß ist in der 3 exemplarisch für eine Ausnehmung und zwei halbe Stege 19 durch den Doppelpfeil 21 angedeutet. Dieses Maß wird auch als "Rapport" bezeichnet. Der Versatz zwischen den Ausnehmungen 7 zweier benachbarter Reihen von Ausnehmungen ist in 3 mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet.
Wenn man die Platine 9 zu einem Hohlkörper 4 (siehe 4 oder 5) aufrollt und diesen Hohlkörper 4 an seinen Stirnseiten über eine obere Abdeckplatte 5 (siehe 1) und eine untere Abdeckplatte 6 (siehe 1) mit einer Druckkraft beaufschlagt, dann hat die zwischen oberer Abdeckplatte 5 und der Kante 15 wirkende Kraft F über den Umfang des Hohlkörpers 4 den durch die Linie 25 qualitativ dargestellten Verlauf. Der Umfangs-Winkel φ beginnt an der Kante 13 mit 0° und endet an der Kante 11 mit 360°.
Es zeigt sich, dass immer dort, wo ein Steg 19 die Kante 15" abstützt", eine große Kraft F, angedeutet durch die Maxima 27 der Linie 25, übertragen werden kann. Die einzige Ausnahme existiert dort, wo die Kanten 11 und 13 aneinander stoßen. Dort schwächt die "durchgeschnittene" Ausnehmung 7 mit ihren Teilen 7' und 7'' die Struktur der Platine 9, so dass die an dieser Stelle zwischen oberer Abdeckplatte 5 und Hohlkörper 4 übertragene Kraft F geringer ist. Dieser Sachverhalt ist in 3 durch den im Vergleich mit den Maxima 27 deutlich geringeren Wert für die Kraft F, bei φ = 0° und bei φ = 360° dargestellt.
Ähnlich verhält es sich an der Kante 17. Wie aus 3 ersichtlich, befindet sich in unmittelbarer Nähe der Kante 17 bei φ = 0° und 360° eine angeschnittene Ausnehmung , bestehend aus den Teilen 7' und 7'', während sich in unmittelbarer Nähe der Kante 15 bei φ = 0° und 360° ein aufgetrennter Steg 19 mit den Hälften 19' und 19" befindet. Daraus ergibt sich ein etwas anderer Kräfteverlauf über den Umfang der Kante 17.
Es gibt dort, wie aus dem unteren F-φ-Diagramm in 3 ersichtlich, vier Maxima 27 und zwei weitere lokale Maxima 29 in der Nähe der Kante 11 und 13 bei den Winkeln φ = 30° und 330°, die deutlich kleiner als die Maxima 27 sind.
Wegen dieser über den Umfang ungleichen Kraftübertragung zwischen oberer Abdeckplatte 6 und der Kante 15 einerseits sowie der unteren Abdeckplatte 5 und der Kante 17 andererseits wird ein auf die obere Abdeckplatte 6 und die untere Abdeckplatte 5 wirkendes Biegemoment von dem Hohlkörper 4 erzeugt, wenn der Hohlkörper 4 mit einer Vorspannung an der oberen und der unteren Abdeckplatte 6, 5 befestigt wird. Dieses Biegemoment wird naturgemäß auch auf den piezoelektrischen Aktor 1 übertragen, was sich ungünstig auf dessen Betriebssicherheit und Lebensdauer auswirkt. Außerdem ist dieses Biegemoment auch an den von der Aktoreinheit betätigten hydraulischen Ventilgliedern nicht erwünscht.
In 4 ist ein Hohlkörper 4, der aus einer in 3 dargestellten Platine 9 hergestellt wurde, perspektivisch dargestellt. Die Reihen von Ausnehmungen 7, die in 4 nicht einzeln bezeichnet sind, bilden 16 Ebenen E₁ bis E₁₆, welche senkrecht zur Längsachse 35 des Hohlkörpers 4 verlaufen. Andeutungsweise ist in 4 zur Veranschaulichung eine Ebene E dargestellt. Ebenso ist in 4 die Wandstärke s des Hohlkörpers 4 eingezeichnet.
Um die Nachteile eines entlang der Fuge 31 verschweißten Hohlkörpers 4, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, zu vermeiden, sind ist die Platine 9 im Bereich der Kanten 11 und 13 versteift. Im unteren Teil der 4 ist eine Ansicht von oben auf den Hohlkörper 4 im Bereich der Fuge 31 dargestellt. Aus dieser Darstellung ist die Versteifung im Bereich der Kanten 11 und 13 besonders gut erkennbar.
Wie sich aus der Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Hohlkörper 4 in 4 ergibt, ist die Wandstärke des Hohlkörpers 4 im Bereich der Kanten 11 und 13, das heißt in unmittelbarer Nähe der Fuge 31, etwa doppelt so groß wie die Wandstärke s des Hohlkörpers 4. Durch die Verstärkungen 37 wird die Federrate des Hohlkörpers 4 zu beiden Seiten der Fuge 31 lokal erhöht. Durch diese Maßnahme wird die Verringerung der Federrate des Hohlkörpers, welche von der Fuge 31 verursacht wird, kompensiert, so dass im Ergebnis die Federrate des Hohlkörpers 4 über den gesamten Umfang konstant ist.
Die Verstärkungen 37 des Hohlkörpers 4 können beispielsweise durch durch Umformen der Platine 9 (siehe 4) im Bereich der Kanten 11 und 13 erfolgen. Alternativ können die Verstärkungen 37 auch durch Falzen der Platine 9 im Bereich der Kanten hergestellt werden. Dies bedeutet, dass die Platine 5 im Bereich der Kanten 11 und 13 um 180 ° gebogen wird, so dass sich die Wandstärke des Hohlkörpers 4 im Bereich der Kanten 11 und 13 verdoppelt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Verstärkung der Kante 11 durch einen Umformprozess erfolgt, während die Verstärkung der Kante 13 durch Falzen der Platine 9, das heißt durch Umbiegen um 180 °, erfolgt ist.
Selbstverständlich wird man sich bei einem in Serie gefertigte Hohlkörper 4 auf eine der beiden Varianten beschränken. Die Auswahl für oder gegen eine der beiden Varianten kann von einem Fachmann auf dem Gebiet der Fertigungstechnik unter Berücksichtigung verschiedener technischer und wirtschaftlicher Parameter ohne Weiteres erfolgen.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers 4 perspektivisch und in einer Ansicht von oben dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem in 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel und es werden nachfolgend nur die wesentlichsten Unterschiede beschrieben.
Wie aus der Ansicht von oben in 5 erkennbar, weist der Hohlkörper 4 zusätzlich zu den Verstärkungen 37 noch zwei weitere zusätzliche Verstärkungen 39 auf, die in einem Abstand zu den Kanten 11 und 13 angeordnet sind und parallel zu diesen verlaufen. Der Abstand 23 der zusätzlichen Verstärkungen 39 zu den Verstärkungen 37 entspricht dem Versatz der Ausnehmungen 7 zweier benachbarter Ebenen (siehe auch 3). Durch diese Maßnahme wird der Hohlkörper 4 nicht nur in unmittelbarer Nähe der Fuge 31 verstärkt, sondern auch noch in einem gewissen Abstand dazu, so dass eine weitere Verbesserung des Betriebsverhaltens dieses erfindungsgemäßen Hohlkörpers erreicht werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist die Wandstärke s des Hohlkörpers 4 eine Funktion des Winkels φ, wobei der Winkel φ = 0 an die Kante 13 gelegt wurde (siehe auch 3). Aus der Ansicht von oben der 6 ist ersichtlich, dass die Wandstärke s beginnend mit einem Maximum beim Winkel φ = 0 ° kontinuierlich bis zu einem Winkel von φ = 180 ° abnimmt. Von diesem Minimum bei einem Winkel φ = 180 ° nimmt die Wandstärke s dann kontinuierlich bis zu einem zweiten Maximum bei einem Winkel von φ = 360 °, welches an der Kante 11 liegt, zu. Durch diese Maßnahme kann der Einfluss der Fuge 31 auf die Federrate des Hohlkörpers 4 ebenfalls kompensiert werden. Die variable Wandstärke s kann durch einen Umformprozess oder ein anderes Verfahren erreicht werden.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hohlkörpers 4 in einer Ansicht von oben dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im Bereich der Kanten 11 und 13 jeweils ein Verstärkungsteil 41 mit dem Hohlkörper 4 stoffschlüssig verbunden. Die Verstärkungsteile 41 können beispielsweise durch Schweißen, insbesondere durch Punktschweißen oder Rollennahtschweißen mit dem Hohlkörper 4 verbunden sind. Die dabei entstehenden Schweißpunkte beziehungsweise die dabei gegebenenfalls entstehende Schweißnaht ist in 7 nicht dargestellt. Die Verstärkungsteile 41 erstrecken sich über die gesamte Länge der Kanten 11 und 13, das heißt vom erdten Ende 17 des Hohlkörpers 4 bis zum zweiten Ende 15 des Hohlkörpers 4 (siehe auch 3).
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind die Verstärkungsteile kraftschlüssig durch Verpressen mit dem Hohlkörper 41 im Bereich der Kanten 11 und 13 verbunden. Dabei haben die Verstärkungsteile 41 einen U-förmigen Querschnitt, wobei die lichte Weite zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Querschnitts im Wesentlichen der Wandstärke s des Hohlkörpers 4 entspricht. Dies bedeutet, dass die Verstärkungsteile 41 ohne Weiteres über die Kanten 11 und 13 des Hohlkörpers 4 geschoben werden können und, nachdem sie ihre korrekte Position erreicht haben, mit den Kanten 11 und 13 verpresst werden können. Alternativ können die Verstärkungsteile gemäß 7 natürlich auch durch Punktschweißen oder ein anderes Verfahren mit dem Hohlkörper 4 verbunden werden.
Damit die Innenkontur des Hohlkörpers 4 kreisförmig bleibt, ist der Hohlkörper 4 im Bereich der Kanten 11 und 13 gestuft ausgeführt, wobei die Höhe des dadurch entstehenden Absatzes 43 in etwa der Wandstärke der Verstärkungsteile 41 entspricht.
Anhand der 9 wird nachfolgend erläutert, wie das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil 116 in eine Kraftstoffeinspritzanlage 102 einer Brennkraftmaschine integriert ist. Die Kraftstoffeinspritzanlage 102 umfasst einen Kraftstoffbehälter 104, aus dem Kraftstoff 106 durch eine elektrische oder mechanische Kraftstoffpumpe 108 gefördert wird. Über eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 110 wird der Kraftstoff 106 zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gefördert. Von der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 111 gelangt der Kraftstoff 106 über eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 112 zu einem Common-Rail 114. An dem Common-Rail sind mehrere Kraftstoffeinspritzventile 116 angeschlossen, die den Kraftstoff 106 direkt in Brennräume 118 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine einspritzen.
Es versteht sich von selbst, dass jedes der in der Beschreibung, den Zeichnungen oder den Patentansprüchen beschriebenen Merkmale einzeln oder in Kombination mit anderen Merkmalen erfindungswesentlich sein kann.

Claims

Aktoreinheit mit einem Hohlkörper (4) und mit einem piezoelektrischen Aktor (1), wobei der Hohlkörper (4) elastisch ausgebildet ist und den Aktor (1) vorspannt, wobei der Hohlkörper (4) mit Ausnehmungen versehen ist und eine durch zwei Kanten (11, 13) gebildete Fuge (31) aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen (7) ein Steg (19) vorhanden ist, und wobei der Hohlkörper (4) ein erstes Ende (17) und ein zweites Ende (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) gegenüber dem übrigen Hohlkörper (4) verstärkt ausgebildet sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) durch die Vergrößerung einer Wandstärke (s) des Hohlkörpers (4) verstärkt sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) durch Falzen verstärkt sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (11, 13) durch anbringen mindestens eines Verstärkungsteils (41) verstärkt sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verstärkungsteil (41) stoffschlüssig, zum Beispiels durch Schweißen, insbesondere durch Punktschweißen oder Rollennahtschweißen, mit dem Hohlkörper (4) verbunden ist.
Aktoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindesten eine Verstärkungsteil (41) formschlüssig mit dem Hohlkörper (45) verbunden ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) in mehreren Ebenen (E_i) angeordnet sind, und dass die Ebenen (E_i) parallel mit einem Abstand (d) zueinander verlaufen.
Aktoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine ungerade Zahl (i mit z. B. i = 11, 13, 15 oder 17) von Ebenen (E_i), in denen die Ausnehmungen (7) angeordnet sind, vorgesehen ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ausnehmungen (7) in einer Ebene (E₂) hintereinander angeordnet sind, und dass die Ebene (E₂) mit der Längsachse (35) des Hohlkörpers (4) einen rechten Winkel bildet.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Zahl von Ausnehmungen (7) in einer Ebene (E₂) vorhanden ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) knochenförmig ausgebildet sind und quer zu einer Längsachse (35) des Hohlkörpers (4) verlaufen.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (7) zweier benachbarter Ebenen (E₁) zueinander versetzt (23) angeordnet sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (23) der Ausnehmungen (7) zweier benachbarter Ebenen gleich dem halben Rapport (21) der Ausnehmungen (7) einer Ebene (E₁) ist.
Aktoreinheit nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) parallel zu den Kanten (11, 13) zusätzliche Verstärkungen (39) aufweist.
Aktoreinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand () der zusätzlichen Verstärkungen (39) von den Kanten (11, 13) im Wesentlichen dem Versatz (23) der Ausnehmungen (7) zweier benachbarter Ebenen entspricht.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) einen kreisrunden Querschnitt hat.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Hohlkörpers (4) die Form eines regelmäßigen Vielecks hat.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem ersten Ende (17) radial fixiert wird.
Aktoreinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem ersten Ende (17) radial in der oberen Abdeckplatte (6), insbesondere durch eine Ringnut (39) in der oberen Abdeckplatte (6), fixiert wird.
Aktoreinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) mit seinem ersten Ende (17) durch Schweissen (41) an der oberen Abdeckplatte (6) befestigt ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem zweiten Ende (15) radial fixiert wird.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem zweiten Ende (15) mit einer unteren Abdeckplatte (5) verbunden ist.
Aktoreinheit nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) mit seinem zweiten Ende (15) durch Schweissen (41) an der unteren Abdeckplatte (5) befestigt ist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4) an seinem ersten Ende (17) und/oder an seinem zweiten Ende (15) einen nicht durch Ausnehmungen (7, 7a, 7b) perforierten Bereich aufweist.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (1) in dem Hohlkörper (4) angeordnet ist, und dass der piezoelektrische Aktor (1) durch den vorgespannten Hohlkörper (4) auf Druck belastet wird.
Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktor (1) außerhalb des Hohlkörpers (4) angeordnet ist, und dass der piezoelektrische Aktor (1) durch den vorgespannten Hohlkörper (4) auf Druck belastet wird.