Piezoelektrisches Aktormodul Stand der Technik Die Erfindung geht von einem piezoelektrischen Aktormodul, insbesondere zur Betätigung eines Ventils zum Steuern von Flüssigkeiten bei einem Kraftstoffeinspritzventil, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Ein solches piezoelektrisches Aktormodul ist aus der Praxis bekannt und wird beispielsweise bei einem Common-Rail- Injektor zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in einen Verbrennungsraum einer Verbrennungsmaschine eingesetzt.

Das piezoelektrische Aktormodul ist Bestandteil einer Ven- tilsteuereinheit des Kraftstoffeinspritzventils, mittels welcher eine in einem Düsenmodul angeordnete Düsennadel be- tätigbar ist, die mit zu dem Verbrennungsraum der Verbren-

nungsmaschine führenden Einspritzungsöffnungen in Wirkver- bindung steht, und umfaßt einen Aktorfuß, einen Aktor und einen Aktorkopf.

Die Ventilsteuereinheit umfaßt des weiteren einen sogenann- ten Stellkolben, der über den Aktorkopf mittels des piezo- elektrischen Aktormoduls verschiebbar ist und der über ei- nen hydraulischen Koppler mit einem sogenannten Betäti- gungskolben in Wirkverbindung steht, der mit einem mit ei- nem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilschließglied verbun- den ist.

Eine mögliche toleranzbedingte Schrägstellung des Aktorkop- fes ist bei dem bekannten Aktormodul mittels eines Stiftes ausgeglichen, der zwischen dem Aktorkopf und dem als Stell- einheit dienenden Stellkolben angeordnet ist und in eine Ausnehmung des Stellkolbens eingreift, die an der dem Ak- tormodul zugewandten Stirnseite angeordnet ist.

Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul, insbeson- dere zur Betätigung eines Ventils zum Steuern von Flüssig- keiten bei einem Kraftstoffeinspritzventil, mit den Merkma- len nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei wel- chem dem Aktorkopf eine im wesentlichen kugelförmig ge- krümmte Fläche zugeordnet ist, über welche das piezoelekt- rische Bauelement auf die Stelleinheit wirkt, hat den Vor- teil, daß es aufgrund der kugelförmig gekrümmt ausgebilde- ten Fläche möglich ist, eine geringe Bauhöhe im Kraftüber-

tragungsbereich zwischen dem piezoelektrischen Bauelement und der Stelleinheit zu ermöglichen. Dadurch ist bei den piezoelektrischen Aktormodul nach der Erfindung ein gegen- über dem Stand der Technik kleinerer axialer Einbauraum er- forderlich.

Das Aktormodul nach der Erfindung kann als Bestandteil ei- ner Ventilsteuereinheit eines Kraftstoffeinspritzventils für einen Verbrennungsmotor ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Stelleinheit bevorzugt als Stellkolben ausge- bildet, der über einen hydraulischen Koppler mit einem Be- tätigungskolben in Wirkverbindung steht, mittels dem wie- derum ein Ventilschließglied betätigbar ist. Mittels der Ventilsteuereinheit ist eine in einem Injektormodul des Kraftstoffeinspritzventils angeordnete Düsennadel betätig- bar, die mit zu einem Verbrennungsraum führenden Einsprit- zungsöffnungen zusammenwirkt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Aktormoduls nach der Erfindung ist die kugelförmig gekrümmte Fläche direkt an dem Aktorkopf ausgebildet. Diese Ausführungsform, die mit wenigen Bauteilen realisierbar ist, gestaltet sich als montagefreundlich.

Der Aktorkopf ist beispielsweise ein Drehteil, wobei die kugelförmig gekrümmte Fläche direkt an den Aktorkopf ange- dreht sein kann.

Nach einer alternativen Ausführungsform ist die im wesent- lichen kugelförmig gekrümmte Fläche an der Stelleinheit ausgebildet. Die kugelförmig gekrümmte Fläche bildet dann

die in Richtung des piezoelektrischen Bauelements weisende Stirnseite der Stelleinheit und greift an dem Aktorkopf an.

Bei dieser Ausführungsform, die kostengünstig herstellbar ist, ist ein Stellkolben der Stelleinheit, der die kugel- förmig gekrümmte Fläche aufweist, in einem Arbeitsgang von der Stange fertig schleifbar.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist die kugelförmig ge- krümmte Fläche von einer Kugel gebildet. Diese Kugel ist dann zweckmäßigerweise mittels entsprechend ausgebildeter Sitze in radialer Richtung zwischen dem Aktorkopf und der Stelleinheit fixiert. Die Kugel liegt bevorzugt lose an dem Aktorkopf an. Die Kugel kann sehr klein und nahezu voll- ständig von der Stelleinheit und dem Aktorkopf aufgenommen sein.

Die kugelförmig gewölbte Fläche greift vorzugsweise in ei- nen im wesentlichen kegelförmigen Sitz ein, der je nach Ausführungsform der Stelleinheit oder dem Aktorkopf zuge- ordnet ist. Dadurch ist eine konstruktiv einfache radiale Fixierung bzw. Zentrierung des Aktorkopfes und damit des piezoelektrischen Bauelementes möglich.

Um eine geringe Flächenpressung zwischen der kugelförmig gekrümmten Fläche und dem kegelförmigen Sitz zu erreichen, ist der kegelförmige Sitz bevorzugt in der der kugelförmig gekrümmten Fläche abgewandten Richtung, d. h. konkav ge- wölbt. Der Krümmungsradius dieser Wölbung ist zweckmäßiger- weise etwas größer als derjenige der kugelförmig gekrümmten Fläche. Durch die Wölbung kann eine geringe Flächenpressung zwischen der kugelförmig gekrümmten Fläche und dem kugel-

förmigen Sitz erreicht werden, was zu einer geringen Ver- formung der betreffenden Bauteile bei Beanspruchung führt.

Um beispielsweise bei einer Steuereinheit eines Einspritz- ventils einen zwischen einem als Stelleinheit dienenden Stellkolben und einem Betätigungskolben liegenden hydrauli- schen Koppler hinsichtlich seiner Größe und seiner Lage einstellen zu können, liegt bei einer bevorzugten Ausfüh- rungsform des piezoelektrischen Aktormoduls nach der Erfin- dung die kugelförmig gekrümmte Fläche an einem der Stell- einheit zugeordneten Einstellstück an. Wenn die kugelförmig gekrümmte Fläche an der Stelleinheit ausgebildet ist, ist das Einstellstück dem Aktorkopf zugeordnet. Das Einstell- stück kann beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein und einen Sitz für die kugelförmig gekrümmte Fläche aufwei- sen. Je nach gewünschter Lage des Stellkolbens und damit des hydraulischen Kopplers kann eine Scheibe entsprechender Dicke eingesetzt werden.

Entsprechend kann bei der Ausführungsform, bei der die ku- gelförmig gekrümmte Fläche von einer Kugel gebildet ist, je nach gewünschter Lage des Stellkolbens eine Kugel mit ent- sprechendem Radius eingesetzt werden. Die Kugel dient in diesem Fall als Einstellstück.

Zur radialen Fixierung des Einstellstücks weist dieses be- vorzugt eine Bohrung auf, in welche ein Zapfen der Stell- einheit bzw. des Aktorkopfes ragt.

Um zu gewährleisten, daß auf das piezoelektrische Bauele- ment keine die Funktionsfähigkeit beeinträchtigenden Biege-

momente wirken, stützt sich der Aktorfuß auf vorteilhafte Weise über eine an einer Schulter ausgebildete abgerundete Kante an dem Gehäuse ab.

In zweckmäßiger Weise wirkt die abgerundete Kante mit einem im wesentlichen kegelförmigen Sitz zusammen, der an dem Ge- häuse ausgebildet ist. Dieser Sitz kann konkav gewölbt aus- gebildet sein.

Durch die Ausbildung des Aktorfußes mit einer sich an dem Gehäuse abstützenden abgerundeten Kante kann bei einem Ein- spritzventil gewährleistet werden, daß das den Aktor bil- dende piezoelektrische Bauelement exakt gegenüber einer zwischen der Ventilsteuereinheit und einem Injektormodul angeordneten Ventilplatte ausgerichtet ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge- genstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung Drei Ausführungsbeispiele des piezoelektrischen Aktormoduls nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch ver- einfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Be- schreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Ven- tilsteuereinheit eines Einspritzventils ;

Figur 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine alter- native Ausführungsform einer Ventilsteuereinheit eines Ein- spritzventils ; und Figur 3 eine weitere Ausführungsform einer Ventilsteuer- einheit.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 ist eine Ventilsteuereinheit 1 eines Kraftstoff- einspritzventils dargestellt, welches zum Einbau in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist und hier als Common-Rail-Injektor zur Ein- spritzung von vorzugsweise Dieselkraftstoff ausgebildet ist.

Das Kraftstoffeinspritzventil umfaßt neben der Ventilsteu- ereinheit 1 ein nicht näher dargestelltes Düsenmodul, in welchem eine axial verschiebbare Düsennadel angeordnet ist, die mit sogenannten Einspritzöffnungen, die zu einem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine führen, in Wirkver- bindung steht. Das Ventilsteuermodul 1 dient zur Betätigung der Düsennadel.

In der Ventilsteuereinheit 1 ist ein sogenanntes piezo- elektrisches Aktormodul 2 angeordnet, welches zur Betäti- gung, d. h. zur axialen Verschiebung eines als Stelleinheit dienenden Stellkolbens 3 dient. Der Stellkolben 3 ist über einen nicht dargestellten, als Hydraulikkammer ausgebilde- ten hydraulischen Koppler mit einem ebenfalls nicht darge- stellten Betätigungskolben gekoppelt. Der Betätigungskolben

ist mit einem Ventilschließglied verbunden, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und bei dessen Betätigung eine Druckveränderung in einem Ventilsteuerraum ausgelöst wird, wodurch die Düsennadel eine axiale Verschiebung erfährt, so daß die Einspritzöffnungen geöffnet bzw. geschlossen wer- den.

Das Aktormodul 2 ist in einer axialen Bohrung 5 eines als Ventilhalter dienenden Gehäuses 4 angeordnet und umfaßt ein piezoelektrisches Bauelement 6, das den sogenannten Aktor darstellt und beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine axiale Längung erfährt.

Der Aktor 4 stützt sich über einen Aktorfuß 7 an dem Ven- tilhalter 4 ab. Der Aktorfuß 7 weist hierzu eine an einer Schulter 8 ausgebildete, abgerundete Kante 9 auf, die ring- förmig ausgebildet ist und an einem an dem Ventilhalter 4 ausgebildeten, im wesentlichen kegelartigen Sitz 10 an- liegt. Der kegelartig ausgebildete Sitz 10 ist mit einer leichten Wölbung versehen, die konkav, d. h. in der dem Ak- torfuß 7 abgewandten Richtung ausgebildet ist. Die Wölbung des Sitzes 10 hat einen Krümmungsradius, der etwas größer als derjenige der Rundung der Kante 9 ist.

An der dem Aktorfuß 7 abgewandten Seite schließt sich an den Aktor 6 ein Aktorkopf 11 an, der zur übertragung einer Längenveränderung des Aktors 6 auf den Kolben 3 dient. Der Aktorkopf 11 ist in einem das Düsenmodul 2 dichtenden Me- tallbalg 16 verschiebbar geführt.

Der Aktorkopf 11 weist an der dem Aktor 6 abgewandten Seite einen Kegelsitz 12 auf, in welchem eine Kugel 13 angeordnet ist. Die Kugel 13 greift in einen weiteren Kegelsitz 14 ein, der an der dem Aktormodul 2 zugewandten Stirnseite des Stellkolbens 3 ausgebildet ist. Die Kugel 13 bildet eine kugelförmig gekrümmte Stirnseite 17, die dem Aktorkopf 11 zugeordnet ist und mittels der der Aktor 6 auf den Stell- kolben 3 wirkt.

Der Kegelsitz 14 ist mit einer leichten Wölbung ausgebil- det, deren Krümmungsradius etwas größer als derjenige der Kugel 13 ist. Dadurch wird eine geringe Flächenpressung zwischen der Kugel 13 und dem Kegelsitz 14 erreicht.

Die Lage des Stellkolbens 3 und damit die Größe des hydrau- lischen Kopplers ist über den Durchmesser der Kugel 13 ein- stellbar.

Des weiteren ist in dem Ventilhalter 4 ein Kraftstoffzu- fuhrkanal 15 ausgebildet, der mit einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe verbunden ist und zu dem Düsenmodul führt.

In Figur 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Ventilsteuereinheit 30 eines Kraftstoffeinspritzventils dargestellt, das zum Einbau in eine Brennkraftmaschine ei- nes Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.

Die Ventilsteuereinheit 30 unterscheidet sich von der Ven- tilsteuereinheit nach Figur 1 dadurch, daß sie einen Aktor- kopf 31 aufweist, der eine einem Stellkolben 32 zugewandte

Stirnseite 33 hat, die eine kugelförmige Krümmung mit einem Krümmungsradius ri aufweist.

Die Stirnseite 33 des Aktorkopfes 31 wirkt mit einem im we- sentlichen kegelförmigen Sitz 34 zusammen, der in einem dem Stellkolben 32 zugeordneten, scheibenförmig ausgebildeten Einstellstück 35 ausgebildet ist. Das Einstellstück 35 bil- det die dem Aktormodul 2 zugewandte Stirnseite des Stell- kolbens 32. Das Einstellstück 35 dient zur Einstellung der Lage des Stellkolbens 32 und damit der Größe des hydrauli- schen Kopplers, über den der Stellkolben 32 mit dem Betäti- gungskolben gekoppelt ist.

Der Kegelsitz 34 ist in der dem Aktorkopf 31 abgewandten Richtung leicht gewölbt. Die Wölbung hat einen Krümmungsra- dius r2, der etwas geringer als der Krümmungsradius rl der Stirnseite 33 des Aktorfußes 31 ist.

Zur radialen Fixierung des Einstellstücks 35 ist in dem Einstellstück 35 eine axiale Bohrung 36 ausgebildet, in welche ein axial ausgerichteter Zapfen 37 des Stellkolbens 32 eingreift.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ven- tilsteuereinheit 40 eines Kraftstoffeinspritzventils darge- stellt.

Die Ventilsteuereinheit 40 unterscheidet sich von derjeni- gen nach Figur 2 dadurch, daß sie einen Stellkolben 41 auf- weist, der eine als im wesentlichen kugelförmig gekrümmte Fläche ausgebildete Stirnseite 42 hat. Die Stirnseite 42

liegt an einem im wesentlichen kegelförmigen Sitz 43 an, der an einem Einstellstück 44 ausgebildet ist, welches ei- nem Aktorkopf 45 eines hier nicht dargestellten piezoelekt- rischen Aktormoduls zugeordnet ist und zur Einstellung der Lage des Stellkolbens 41 und damit der Größe des hydrauli- schen Kopplers dient, über den der Stellkolben 41 mit einem Betätigungskolben gekoppelt ist. Der Kegelsitz 43 ist in der der Stirnseite 42 abgewandten Richtung leicht gewölbt.

Der Krümmungsradius der Wölbung ist etwas geringer als der Krümmungsradius der Stirnseite 42 des Stellkolbens 41.

Zur radialen Fixierung des Einstellstücks 44 ist an dem Einstellstück eine axiale Bohrung 46 ausgebildet, in welche ein axial ausgerichteter Zapfen 47 des Aktorkopfes 45 ein- greift.