DE19947071A1 - Geräuschgedämpfte Aktoreinheit - Google Patents

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.

Description

Geräuschgedämpfte Aktoreinheit

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.

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.

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.

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.

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

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.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors mit einer ersten Ausführungsform der er­ findungsgemäßen Aktoreinheit; und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Stellantrieb eines Kraftstoffinjektors mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (7)

1. Aktoreinheit mit einem Aktor (2) und einem den Aktor umge­ benden Aktorgehäuse (25), wobei das Aktorgehäuse (25) form- und/oder kraftschlüssig mit dem Aktor verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Kontaktfläche des Aktorgehäuses (25) mit einem das Aktorgehäuse aufnehmenden Injektorkörper (1) ein Element (13; 270; 51) aus einem Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigen­ schaften vorgesehen ist.

2. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (25) von einer Hohlschraube (12) und einem Spannringträger (27) am Injektor­ körper (1) festgehalten wird, wobei eine zwischen der Hohl­ schraube (12) und dem Spannringträger (27) angeordnete Ein­ legscheibe (13) aus dem schwingungsdämpfenden Material herge­ stellt ist.

3. Aktoreinheit gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (25) von einer Hohlschraube (12) und einem Spannringträger (27) am Injektor­ körper (1) festgehalten wird, wobei der Spannringträger (27) aus dem schwingungsdämpfenden Material hergestellt ist.

4. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadur­ ch gekennzeichnet, daß eine Auflagscheibe (51) zwischen einer Stirnfläche (251) des Aktorgehäuses (25) und dem Injektorkörper (1) aus dem schwingungsdämpfenden Material gefertigt ist.

5. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Werkstoff mit schwingungsdämpfenden Eigenschaften Graphit oder Teflon ist.

6. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Aktorgehäuse (25) im Bereich einer Kontaktfläche (251) mit dem Injektor­ körper (1) eine möglichst kleine Auflage hat.

7. Aktoreinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der Aktor (2) ein Piezoaktor ist.