Beschreibung

Titel

Piezoelektrisches Aktormodul

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktormodul für ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen Aktormodul. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.

Aus der EP 1 174 615 A2 ist ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor bekannt. Das bekannte

Brennstoffeinspritzventil ist dabei als Injektor mit direkter Nadelsteuerung ausgestaltet. Da der piezoelektrische Aktor in einem Raum des Brennstoffeinspritzventils angeordnet ist, der im Betrieb mit unter hohem Druck stehenden Brennstoff durchflössen ist, ist eine geeignete Abdichtung des Aktors gegenüber Medien, insbesondere Feuchtigkeit (Diesel, Wasser, RME und sonstige elektrisch leitende Substanzen) enthaltenden Dieselbrennstoff, erforderlich.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 haben den Vorteil, dass ein zuverlässiger Schutz eines Aktorkörpers gewährleistet ist. Speziell kann die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktormoduls und des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils verbessert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktormoduls und des im Anspruch 12 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.

Vorteilhaft ist es, dass ein Wellbalg aus einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere einem Stahl, vorgesehen ist, der mit dem übergangsstück verbunden ist und der den Aktorkörper umgibt, und dass der Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und dem Wellbalg und dem Ausgleichsraum in dem übergangsstück mit einem nicht starren Füllmittel gefüllt sind. Das Füllmittel kann dabei aus einem Elastomer oder einer Flüssigkeit gebildet sein. Im Betrieb kann es in Folge einer Wärmedehnung des zwischen dem Aktorkörper und dem Wellbalg vorgesehenen Füllmittels und/oder in Folge einer Kompressibilität des Füllmittels bei hohen Drucken zu hohen, insbesondere unzulässig hohen, Radialdehnungen des Wellbalges kommen, wenn keine Ausgleichsmöglichkeit für das Füllmittel vorgesehen ist, so dass die Gefahr von Beschädigungen des Wellbalges besteht. Durch den mit dem Zwischenraum verbundenen Ausgleichsraum ist eine Ausgleichsmöglichkeit geschaffen, wodurch unzulässige Radialdehnungen des Wellbalges verhindert sind. Die Kombination aus dem Füllmittel und dem Wellbalg schützt den Aktorkörper somit sicher vor elektrischen Kurzschlüssen durch den außen befindlichen Brennstoff und verhindert die Diffusion von Wasser und ähnlichem aus dem Brennstoff in das piezoelektrische Aktormodul .

Auf Grund des vorgesehenen Ausgleichsraumes besteht der Vorteil, dass der Wellbalg axial sehr elastisch, aber radial sehr steif ausgelegt werden kann, da hohe radiale Verformungen, die eine Bruchgefährdung darstellen, verhindert sind.

Da die Wärmedehnungen und Kompressionen des Füllmittels in der Regel langsam und nicht allzu häufig auftreten, besteht eine relativ große Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Ausgleichsraums. Vorzugsweise ist der Ausgleichsraum als variabler Ausgleichsraum ausgestaltet. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das

übergangsstück einen Hohlraum aufweist, in dem ein

Ausgleichswellbalg angeordnet ist, wobei der Ausgleichswellbalg den variablen Ausgleichsraum bildet. Allerdings kann ein variabler Ausgleichsraum auch auf andere Weise ausgestaltet sein.

In vorteilhafter Weise ist ein Federelement vorgesehen, das den Ausgleichsraum komprimiert. Dadurch kann eine gewisse Vorspannung auf das Füllmittel ausgeübt werden, so dass eine definierte Drucklast auf die Füllung des Zwischenraums zwischen dem Aktorkörper und dem Wellbalg gewährleistet ist und eine Vorzugsbewegungsrichtung des Verbandes vorhanden ist.

Vorteilhaft ist es, dass das übergangsstück eine öffnung aufweist, wobei die öffnung eine Komprimierung des Ausgleichsraums mittels eines Umgebungsdruckes ermöglicht. Dadurch kann das Füllmittel von der Seite des Ausgleichsraumes zumindest im wesentlichen mit dem Umgebungsdruck beaufschlagt werden, wodurch eine im wesentlichen vollständige Füllung des Zwischenraumes zwischen dem Aktorkörper und dem Wellbalg sichergestellt ist.

In dem Fall, dass ein Ausgleichswellbalg vorgesehen ist, kann der Ausgleichsraum sowohl durch einen Innenraum des Ausgleichswellbalges als auch durch den den Ausgleichswellbalg umgebenden Teil des Hohlraums des übergangsstückes gebildet sein. In dem letzten Fall ist das in dem Ausgleichsraum vorgesehene Füllmittel außerhalb des Ausgleichswellbalges vorgesehen.

Der Ausgleichswellbalg kann durch geeignete Weise mit dem Hohlraum verbunden sein, um diesen zu teilen, beispielsweise durch eine Schweißnaht.

Zeichnung

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktormodul in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines

Brennstoffeinspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktormodul entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 den in Fig. 2 gezeigten Ausschnitt eines

Brennstoffeinspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktormodul entsprechendem einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 4 den in Fig. 1 mit IV bezeichneten Ausschnitt eines

Brennstoffeinspritzventils mit einem piezoelektrischen Aktormodul entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktormodul 2 in einer schematischen

Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer

Brennstoffverteilerleiste, einem sogenannten Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und das erfindungsgemäße Aktormodul 2

eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.

Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Brennstoffeinlassstutzen 4 auf. An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar, um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Aktorraum 5 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist durch eine Drosselplatte 6 von einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Brennstoffräum 7 getrennt. In der Drosselplatte 6 sind Durchlassöffnungen 8, 9 vorgesehen, um den über den Brennstoffeinlassstutzen 4 in den Aktorraum 5 geführten Brennstoff in den Brennstoffräum 7 zu leiten.

An einem mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Ventilsitzkörper 10 ist eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet, die mit einem

Ventilschließkörper 12 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist der Ventilschließkörper 12 einstückig mit einer Ventilnadel 13 ausgebildet. Die Ventilnadel 13 steht direkt oder indirekt mit einem Kolben 15 in Wirkverbindung, der in einer Hülse 16 geführt ist. Dabei liegt die Hülse 16 an der Drosselplatte 6 an, so dass zwischen dem Kolben 15 und der Drosselplatte 6 ein Kolbenraum 17 gebildet ist.

Das Aktormodul 2 weist einen piezoelektrischen Aktorkörper 20 und ein aus mehreren Teilen bestehendes übergangsstück 21 auf. Das

übergangsstück 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Aktorkopf ausgebildet. Allerdings kann die Ausgestaltung auch einen Aktorfuß oder ein anderes übergangselement betreffen. Dabei ist an dem übergangsstück 21 ein in einer Hülse 22 geführter Kolben 23 ausgebildet, der in Bezug auf die Drosselplatte 6 und die Hülse 22 einen weiteren Kolbenraum 24 begrenzt. Der Kolbenraum 24 ist über eine in der Drosselplatte 6 ausgebildete Drossel 25 mit dem Kolbenraum 17 verbunden.

Der Aktorkörper 20 ist mit elektrischen Leitungen 26, 27 verbunden, die durch einen Aktorfuß 28 an den Aktorkörper 20 geführt sind, wobei ein Steuergerät oder dergleichen über die elektrischen

Leitungen 26, 27 den Aktorkörper 20 ansteuern kann. Bei einer Betätigung des Aktorkörpers 20 kann je nach Auslegung des Brennstoffeinspritzventils 1 eine Druckerhöhung oder -absenkung in Bezug auf einen in dem Kolbenraum 24 vorgesehenen Brennstoff erfolgen. Da der Kolbenraum 24 über die Drossel 25 mit dem

Kolbenraum 17 kommuniziert, führt dies zu einer entsprechenden Beeinflussung des Druckes des Brennstoffs im Kolbenraum 17, so dass im Ergebnis eine Betätigung der Ventilnadel 13 erfolgt. Dies ermöglicht die Abspritzung von Brennstoff über eine Düsenöffnung 29 im Bereich des Ventilschließkörpers 12.

Je nach Ausgestaltung des Brennstoffeinspritzventils 1 kann ein Koppler mit hydraulischer übersetzung vorgesehen sein, um ein- oder mehrstufige übersetzungen zu realisieren. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für Brennstoffeinspritzventile 1, bei denen eine direkte Ansteuerung der Ventilnadel 13 über das übergangsstück 21 erfolgt .

Der Aktorkörper 20 des piezoelektrischen Aktormoduls 2 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten auf.

Dabei sind die Elektrodenschichten abwechselnd mit den elektrischen

Leitungen 26, 27 verbunden, so dass ein Teil der

Elektrodenschichten die positiven Elektroden bildet und ein anderer Teil die negativen Elektroden bildet. über die elektrischen

Leitungen 26, 27 kann der Aktorkörper 20 ge- oder entladen werden, um eine Verstellung des Kolbens 23 in Bezug auf die Hülse 22 zu erreichen .

In Bezug auf die Elektrodenschichten des Aktorkörpers 20 ist allerdings eine ausreichende Isolierung gegenüber dem in dem Aktorraum 5 vorgesehenen Medium erforderlich, um Kurzschlüsse zwischen den Elektrodenschichten zu verhindern. Ferner besteht die Gefahr, dass das in dem Aktorraum 5 vorgesehene Medium den Aktorkörper 20 in Folge chemischer Einwirkung beschädigt. Der Aktorkörper 20 des Aktormoduls 2 ist daher gegenüber dem im Aktorraum 5 vorgesehenen Medium, insbesondere Brennstoff,

abgedichtet. Die Abdichtung besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Füllmittel 30 und einem metallischen Wellbalg 31. Der Wellbalg 31 ist dabei einerseits mit dem Aktorfuß 28 durch eine umlaufende Schweißnaht 32 und andererseits mit dem übergangsstück 21 durch eine umlaufende Schweißnaht 33 verbunden.

Um die Schweißnähte 32, 33 auszubilden, ist eine gewisse Wandstärke des Wellbalges 31 erforderlich. Durch die Ausgestaltung des Wellbalges 31 mit mehreren Wellen ist eine relativ hohe Elastizität in einer axialen Richtung, das heißt in Richtung einer Achse 34 des Aktormoduls 2, gewährleistet, um die Funktion des Aktorkörpers 20, das heißt die Dehnung und Kontraktion des Aktorkörpers 20 in axialer Richtung, zu ermöglichen. Allerdings ist der Wellbalg 31 durch die Wellen in radialer Richtung, das heißt den Richtungen senkrecht zur Achse 34, eher steif ausgestaltet und somit bei entsprechenden Belastungen in radialer Richtung bruchgefährdet.

Ein Teil des Füllmittels 30 ist in einem Zwischenraum 35 zwischen dem Aktorkörper 20 und dem Wellbalg 31 vorgesehen. Dabei ist dieser Zwischenraum 35 vollständig mit dem Füllmittel 30 aufgefüllt, insbesondere sind keine Hohlräume vorhanden. Durch das Füllmittel 30 und den Wellbalg 31 ist somit eine zuverlässige Abdichtung gegenüber dem in dem Aktorraum 5 vorgesehenen Medium gewährleistet.

Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 kommt es durch die häufigen Dehnungen und Kontraktionen des Aktorkörpers 20 zu einer gewissen Erwärmung des Füllmittels 30. Außerdem wird das Füllmittel 30 auf Grund des hohen Druckes des Brennstoffs im Aktorraum 5 komprimiert. Je nachdem welcher dieser Effekte überwiegt, kann sich das Füllmittel 30 ausdehnen oder komprimiert werden. Hierbei besteht allerdings die Gefahr, dass es zu unzulässigen

Beanspruchungen des Wellbalges 31 in radialer Richtung kommt.

Das übergangsstück 21 weist Teile 36, 37 auf. In dem Teil 36 ist durch Bohrungen ein Verbindungskanal 38 ausgebildet. Ferner ist innerhalb des Teils 37 des übergangsstückes 21 ein Hohlraum 39 vorgesehen, in dem ein Ausgleichswellbalg 40 angeordnet ist. Ein Innenraum 41 des Ausgleichswellbalges 40 steht dabei über den

Verbindungskanal 38 mit dem Zwischenraum 35 in Verbindung. Der Verbindungskanal 38 und der Innenraum 41 bilden einen Ausgleichsraum 42. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sowohl der Verbindungskanal 38 als auch der Innenraum 41 vollständig mit dem Füllmittel 30 gefüllt, so dass der

Ausgleichsraum 42 vollständig mit dem Füllmittel 30 gefüllt ist.

In einem Fall, in dem sich das Füllmittel 30 in dem Zwischenraum 35 ausdehnt, kann ein Teil des Füllmittels 30 aus dem Zwischenraum 35 in den Ausgleichsraum 42 fließen. Dabei dehnt sich der

Ausgleichswellbalg 40 entgegen der Kraft eines als Spiralfeder ausgebildeten Federelements 43 aus, so dass sich der Ausgleichsraum 42 vergrößert, um die Ausdehnung des Füllmittels 30 zumindest teilweise auszugleichen. Dadurch wird eine übermäßige Aufdehnung des Wellbalges 31 in radialer Richtung verhindert.

In einem Fall, in dem sich das Füllmittel 30 zusammenzieht oder komprimiert wird, kann Füllmittel 30 aus dem Ausgleichsraum 42 in den Zwischenraum 35 nachfließen. Dabei zieht sich der Ausgleichswellbalg 40 zusammen, was durch die Kraft des Federelements 43 unterstützt wird.

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein mit dem Ausgleichswellbalg 40 durch Schweißen verbundenes Kopfstück 45 vorgesehen, das ein Ende des Federelements 43 aufnimmt, so dass eine zuverlässige

Ausrichtung des Ausgleichswellbalges 40 in Bezug auf die Achse 34 gewährleistet ist. Der Ausgleichswellbalg 40 ist außerdem durch eine weitere Schweißnaht mit dem Teil 36 des übergangsstücks 21 verbunden .

Ferner weist das Teil 37 des übergangsstücks 21 zumindest eine Querbohrung 46 auf, wodurch öffnungen 47, 48 gebildet sind, über die der Hohlraum 39 mit dem Aktorraum 5 verbunden ist. Somit ist der Hohlraum 39 im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 ebenfalls mit unter hohem Druck stehenden Brennstoff gefüllt. Dadurch wirkt der Druck des Brennstoffes einerseits über den Wellbalg 31 auf das Füllmittel 30 als auch andererseits über den

Ausgleichswellbalg 40, so dass bei einem auftretenden Druckunterschied das Füllmittel 30 aus dem Zwischenraum 35 in den Ausgleichsraum 42 einströmt oder aus diesem ausströmt.

Somit wird ein erhöhter Druck im Zwischenraum 35 und/oder eine

Wärmedehnung des Füllmaterials 30 durch geeignete Längenänderungen des Ausgleichswellbalges 40 kompensiert oder abgebaut, bis überall im wesentlichen der gleiche Druck herrscht.

Es ist anzumerken, dass das Federelement 43 je nach Ausgestaltung auch entfallen kann. Durch das Federelement 43 besteht jedoch der Vorteil, dass ein Vordruck im Füllmittel 30 eingestellt werden kann.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Teile 36, 37 des übergangsstückes 21 mit einer Schweißnaht 49 miteinander verbunden.

Fig. 2 zeigt den Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines Brennstoffeinspritzventils 1 mit einem Aktormodul 2 entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgleichswellbalg 40 mittels einer Schweißnaht 55 im Bereich des Hohlraums 39 mit dem Teil 37 des übergangsstücks 21 verbunden. Ferner sind die Teile 36, 37 des übergangsstücks 21 mittels eines Presssitzes und/oder einiger Schweißpunkte miteinander verbunden. Ferner ist der

Verbindungskanal 38 durch zumindest zwei sich im Bereich der Achse 34 treffende Schrägbohrungen gebildet.

Fig. 3 zeigt den in Fig. 2 gezeigten Ausschnitt eines

Brennstoffeinspritzventils 1 mit einem piezoelektrischen Aktormodul 2 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgleichswellbalg 40 auf der Seite der Querbohrung 46 im Bereich des Hohlraumes 39 mit dem Teil 37 des übergangsstückes 21 verbunden. Ein Innenraum 41 des Ausgleichswellbalges 40 steht dadurch über die durch die Querbohrung 46 gebildeten öffnungen 47, 48 mit dem Aktorraum 5 in

Verbindung, so dass sich im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils

1 im Innenraum 41 unter hohem Druck stehender Brennstoff befindet. Das Füllmittel 30 ist in diesem Fall außerhalb des Ausgleichwellbalges 40 vorgesehen. Ferner sind zumindest zwei Verbindungskanäle 38, 38' vorgesehen, die entfernt von der Achse 34 in den Hohlraum 39 des Teils 37 des übergangsstücks 21 münden. Dadurch wird verhindert, dass die Verbindungskanäle 38, 38' durch das Kopfstück 45, das mit dem Ausgleichswellbalg 40 durch eine Schweißnaht verbunden ist, verschlossen werden.

Fig. 4 zeigt den in Fig. 1 mit IV bezeichneten Ausschnitt eines Brennstoffeinspritzventils 1 mit einem piezoelektrischen Aktormodul

2 entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind in dem Teil 37 des übergangsstückes 21 parallel zu der Achse 34 des Aktormoduls 2 orientierte

Längsbohrungen 57, 58 vorgesehen, durch die öffnungen 47, 48 gebildet sind. Durch die öffnungen 47, 48 ist der Innenraum 41 des Ausgleichswellbalges 40 mit dem Aktorraum 5 verbunden, so dass im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils unter hohem Druck stehender Brennstoff in dem Innenraum 41 des Ausgleichswellbalges 40 vorgesehen ist. Ferner sind in dem Teil 36 des übergangsstückes 21 Schrägbohrungen vorgesehen, die die Verbindungskanäle 38, 38' bilden. Die Verbindungskanäle 38, 38' münden dabei an einer äußeren Zylinderfläche des Hohlraums 39. Das Füllmittel 30 ist im Bereich des Hohlraums 39 außerhalb des Ausgleichswellbalges 40 vorgesehen. Durch die Ausgestaltung der Verbindungskanäle 38, 38' ist ein Verschließen der Verbindungskanäle 38, 38' durch den Ausgleichswellbalg 40 verhindert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht außerdem der Vorteil, dass nur eine umlaufende Schweißnaht 55 erforderlich ist, um eine Abdichtung des Ausgleichsraums 42 in Bezug auf den mit Brennstoff gefüllten Teil des Hohlraumes 39 des übergangsstückes 21 zu erreichen. Dadurch ergeben sich geringere Herstellungskosten und eine gegebenenfalls erhöhte Zuverlässigkeit.

Die Teile 36, 37 des übergangsstückes 21 können mittels zumindest

eines Schweißpunktes 49 miteinander verbunden sein. Dabei ist ein Bund 59 an dem Teil 37 ausgestaltet, um eine Positionierung der Teile 36, 37 des übergangsstückes 41 zueinander zu erreichen.

Es ist anzumerken, dass bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen das Füllmittel 30 in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden kann. Dabei kann das Füllmittel 30 aus einem Elastomer gebildet sein und/oder elastische Bestandteile aufweisen. Speziell kann das Füllmittel 30 aus einem öl gebildet sein. Speziell die Ausgestaltung des Verbindungskanals 38 beziehungsweise der Verbindungskanäle 38, 38' ist an die Viskosität des Füllmittels 30 angepasst.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.