DE102009020270A1

DE102009020270A1 - Aktoreinheit

Info

Publication number: DE102009020270A1
Application number: DE102009020270A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Hamann; Carsten Dr. Schuh
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2009-05-07
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2010-11-11
Also published as: WO2010128110A1

Abstract

Eine Aktoreinheit (10) mit einem Piezoaktor (12), wobei der Piezoaktor (12) eine Umfangsfläche (14) aufweist und die Umfangsfläche (14) eine oder mehrere Aktor-Teilflächen (15) umfasst, und einem den Piezoaktor (12) umgreifenden Gehäuse (16), wobei das Gehäuse (16) eine Innenfläche (18) aufweist und die Innenfläche (18) des Gehäuses (16) eine oder mehrere Gehäuse-Teilflächen (19) umfasst. Erfindungsgemäß weist die Aktoreinheit (10) jeweils eine Gehäuse-Teilfläche (19) im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche (15) angeordnet auf. Dadurch, dass die Gehäuse-Teilflächen (19) und Aktor-Teilflächen (15) parallel angeordnet werden, wird bei einer bestimmten Leistung der Aktoreinheit eine Verringerung des Bauraums ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit, insbesondere für Kraftstoffeinspritzmodule für Verbrennungsmotoren.
Piezokeramische Aktoreinheiten sind ein wesentlicher Bestandteil des Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors, und werden beispielsweise zur Steuerung von Einspritzventilen verwendet. Herkömmliche Aktoreinheiten, beispielsweise in EP 154 88 54 A1 gezeigt, die für einen hochdynamischen Betrieb geeignet sind, sind aus einer Anzahl von einzelnen Bauteilen aufgebaut, beispielsweise einem Piezoaktor und einer statischen Vorspann-Mimik, sowie üblicherweise einem Gehäuse zum Schutz vor Umwelteinflüssen und/oder mechanischen Einflüssen.
Nachteilig ist dabei der große Bauraum, der für eine bestimmte Leistung einer Aktoreinheit erforderlich ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Aktoreinheit zu schaffen, die bei einer bestimmten Leistung der Aktoreinheit eine Verringerung des Bauraums ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Aktoreinheit weist einen Piezoaktor auf, wobei der Piezoaktor eine Umfangsfläche aufweist und die Umfangsfläche des Piezoaktors eine oder mehrere Aktor-Teilflächen umfasst. Darüber hinaus weist die Aktoreinheit ein den Piezoaktor umgreifendes Gehäuse auf, wobei das Gehäuse eine Innenfläche aufweist und die Innenfläche des Gehäuses eine oder mehrere Gehäuse-Teilflächen umfasst. Jede Gehäuse-Teilfläche ist dabei im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche angeordnet.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Aktoreinheit liegt darin, dass die auf der Innenseite des Gehäuses liegenden Gehäuse-Teilflächen konturnah zu den Aktor-Teilflächen ausgestaltet sein können. Dabei können die Gehäuse-Teilflächen über einen Großteil des Umfangs des Piezoaktors mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu den Aktor-Teilflächen angeordnet sein. Dadurch kann die Innenkontur des Gehäuses im Wesentlichen an die Form des Piezoaktors, insbesondere an die Querschnittsfläche des Piezoaktors angepasst werden. Die Querschnittsfläche des Piezoaktors kann insbesondere notwendige Kontaktierungsmittel und/oder eine elektrische Passivierungsschicht umfassen. Dies führt zu einer Verringerung der für den Gesamtaufbau des Piezoaktors benötigten Querschnittsfläche. Dies ermöglicht somit auch eine Verringerung des Außendurchmessers des Gehäuses und führt zu einer verbesserten Nutzung des beispielweise für einen Einbau zur Verfügung stehenden Bauraums beispielsweise in einem Verbrennungsmotor. Ebenfalls kann bei einem gleichbleibenden Außendurchmesser des Gehäuses ein Piezoaktors mit vergrößerter Querschnittsfläche verwendet werden. Dies führt zu einer verbesserten Nutzung des Bauraumes der Aktoreinheit und zu mehr Leistung bei gleichbleibendem Bauraum. Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche des Piezoaktors kann die Aufbringung einer größeren Kraft ermöglichen, wodurch beispielsweise bei einem gleichbleibenden Hub die geleistete Arbeit des Piezoaktor und folglich auch die Leistung größer sein können. Darüber hinaus kann insbesondere durch eine konstante Gehäusedicke die Innenkontur des Gehäuses auf die Außenkontur des Gehäuses übertragen werden. Dies ermöglicht die Herstellung von kompakten Aktoreinheiten, die dem jeweils verfügbaren Bauraum konstruktiv angepasst werden können. Dies führt zu größerer Flexibilität der Konstrukteure beispielsweise bei der Gestaltung von Kraftstoffeinspritzmodulen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Aktoreinheit mindestens ein Kontaktierungsmittel auf, welches zumindest teilweise elektrisch leitend mit dem Piezoaktor verbunden ist. Das Kontaktierungsmittel kann eine oder mehrere Kontaktierungs-Teilflächen aufweisen, welche, insbesondere jeweils, zu mindestens einer Aktor-Teilfläche im Wesentlichen parallel angeordnet ist beziehungsweise sind. Das Kontaktierungsmittel kann beispielsweise in Form von zwei elektrischen Leitern ausgestaltet sein, welche zumindest teilweise der äußeren Form des Piezoaktors angepasst sind. Vorteilhaft ist dabei, dass das Kontaktierungsmittel so gestaltet werden kann, dass beispielweise der Isolationsabstand zwischen Kontaktierungsmittel und Piezoaktor so vergrößert werden kann, dass elektrische Überschläge vermieden werden können. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Ausgestaltung der elektrisch leitenden Kontaktierung es ermöglicht, beispielsweise Brüche und Risse an den Kontaktstellen zwischen Kontaktmittel und Piezoaktor zu vermeiden und die Kontaktierung somit zuverlässiger auszugestalten.
Vorzugsweise weist die Aktoreinheit eine Passivierungsschicht zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen auf, die den Piezoaktor umschließt. Die Passivierungsschicht kann dabei den Piezoaktor und/oder das Kontaktierungsmittel, insbesondere zumindest teilweise, umschließen. Die Passivierung kann insbesondere aus Silikon hergestellt sein, das beispielsweise durch Gießen oder Spritzgießen aufgebracht wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Passivierungsschicht eine Außenfläche auf, die eine oder mehrere Passivierungs-Teilflächen umfasst, wobei jede Passivierungs-Teilfläche im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche angeordnet ist. Vorteilhaft ist dabei, dass die notwendige elektrische Passivierung in einer im Wesentlichen homogenen Dicke auf den Piezoaktor und/oder das Kontaktierungsmittel aufgebracht werden kann. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der Passivierung und verringert die Gefahr elektrischer Überschläge zum Piezoaktor und/oder anderen Bauteilen der Aktoreinheit.
Vorzugsweise kann bei der Aktoreinheit ein Federelement zum statischen Vorspannen des Piezoaktors vorgesehen sein, welches den Piezoaktor zumindest teilweise umgreift. Das Federelement kann dabei mit einer Kopfplatte und einer Bodenplatte verbunden sein, die beispielsweise an dem Piezoaktor anliegen. Dadurch kann durch das Federelement eine Druckspannung auf den Piezoaktor aufgebracht werden, um Schäden durch eine dynamische Belastung des Piezoaktors zu vermeiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Federelement eine Oberfläche auf, die eine oder mehrere Feder-Teilflächen umfasst, wobei jede Feder-Teilfläche im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche und/oder Passivierungs-Teilfläche angeordnet ist. Vorteilhaft ist dabei die verbesserte Ausnutzung des Bauraumes durch die Anpassung der Kontur des Federelementes an die Kontur des Piezoaktors.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Rohrfeder ausgestaltet. Die Rohrfeder kann derart ausgestaltet sein, dass die Feder-Teilflächen miteinander verbunden sind und Kanten ausbilden. Vorteilhaft ist dabei die erhöhte Stabilität des Federelementes. Die Rohrfeder kann beispielsweise kostengünstig durch Biegen hergestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Piezoaktor mehreckig ausgestaltet und weist eine Vielzahl von geraden Teilflächen, insbesondere mindestens drei Teilflächen, auf. Der Piezoaktor weist eine Anzahl N an Teilflächen auf, wobei die Anzahl N vorzugsweise 3 ≤ N ≤ 20, besonders bevorzugt 4 ≤ N ≤ 12, ganz besonders bevorzugt 6 ≤ N ≤ 8 sein kann. Insbesondere durch eine gerade Anzahl an Teilflächen wird eine symmetrische Querschnittsfläche des Piezoaktors ermöglicht.
Vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit eckige, insbesondere quadratische, Querschnittsflächen für den Piezoaktor wählen zu können, da diese besonders kostengünstig herstellbar sind.
Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor aus mehreren, gestapelten piezokeramischen Körpern als Vielschichtaktor ausgebildet. Durch die Verwendung mehrerer, aufeinander gestapelter piezokeramischer Körper kann beispielsweise die Länge des Hubes eines Piezoaktors eingestellt werden. Vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, den Piezoaktor an die je nach Anwendung erforderlichen technischen Bedingungen anpassen zu können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Piezoaktors ist das Material des Gehäuses eine Eisen-Nickel-Legierung, insbesondere mit einem Anteil von 36% Nickel. Das Material des Gehäuses kann in bestimmten Temperaturbereichen im Verhältnis zu beispielsweise Stahl sehr geringe oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die Innenfläche des Gehäuses kann durch Fließpressen oder Rundhämmern, insbesondere mit einem Dorn, hergestellt werden. Vorteilhaft ist dabei die kostengünstige Herstellung der Innengeometrie des Gehäuses. Die Außengeometrie des Gehäuses kann, beispielsweise bei einer konstanten Wanddicke des Gehäuses, der Innengeometrie des Gehäuses angepasst werden.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit in Diesel- und/oder Benzin-Einspritzmodulen, wobei die Aktoreinheit wie vorstehen beschrieben aus- und weitergebildet sein kann.
Nachfolgend wir die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Aktoreinheit.
Die in 1 dargestellte Aktoreinheit 10 weist einen Piezoaktor 12 auf, der einen achteckigen Querschnitt aufweist. Die Umfangsfläche 14 des Piezoaktors 12 umfasst acht Aktor-Teilflächen 15. Der Piezoaktor 12 ist in einem Gehäuse 16 angeordnet, dessen Innenfläche 18 acht Gehäuse-Teilflächen 19 umfasst. Der Piezoaktor 12 ist an zwei Aktor-Teilflächen 15 elektrisch leitend mit jeweils einem Kontaktierungsmittel 20 verbunden. Die Kontaktierungsmittel 20 weisen Kontaktierungs-Teilflächen 21 auf, die parallel zu den jeweils korrespondierenden Aktor-Teilflächen 15 angeordnet sind. Der Piezoaktor 12 und die Kontaktierungsmittel 20 werden von einer Passivierungsschicht 22, die beispielsweise aus Silikon hergestellt sein kann, zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen umschlossen. Die Passivierungsschicht 22 weist eine Außenfläche 24 auf, die mehrere Passivierungs-Teilflächen 25 umfasst. Die Passivierungsschicht 22, die den Piezoaktor 12 mit den Kontaktierungsmittel 20 umschließt, wird von einem Federelement 26, in Form einer Rohrfeder, umgriffen. Das Federelement 26 weist dabei eine Oberfläche 28 auf, die acht Feder-Teilflächen 30 umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1548854 A1 [0002]

Claims

Aktoreinheit, mit einem Piezoaktor (12), wobei der Piezoaktor (12) eine Umfangsfläche (14) aufweist und die Umfangsfläche (14) des Piezoaktors (12) eine oder mehrere Aktor-Teilflächen (15) umfasst, und einem den Piezoaktor (12) umgreifenden Gehäuse (16), wobei das Gehäuse (16) eine Innenfläche (18) aufweist und die Innenfläche (18) des Gehäuses (16) eine oder mehrere Gehäuse-Teilflächen (19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gehäuse-Teilfläche (19) im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche (15) angeordnet ist.
Aktoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (10) mindestens ein zumindest teilweise elektrisch leitend mit dem Piezoaktor (12) verbundenes Kontaktierungsmittel (20) aufweist, wobei das Kontaktierungsmittel (20) eine oder mehrere Kontaktierungs-Teilflächen (21) aufweist, welche zu mindestens einer Aktor-Teilfläche (15) im Wesentlichen parallel angeordnet sind.
Aktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (10) eine Passivierungsschicht (22) zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen aufweist, die den Piezoaktor (12) umschließt.
Aktoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (22) eine Außenfläche (24) aufweist, die eine oder mehrere Passivierungs-Teilflächen (25) umfasst, wobei jede Passivierungs- Teilfläche (25) im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche (15) angeordnet ist.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (26) zum statischen Vorspannen des Piezoaktors (12) vorgesehen ist, welches den Piezoaktor (12) zumindest teilweise umgreift.
Aktoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (26) eine Oberfläche (28) aufweist, die eine oder mehrere Feder-Teilflächen (30) umfasst, wobei jede Feder-Teilfläche (30) im Wesentlichen parallel zu jeweils einer Aktor-Teilfläche (15) und/oder Passivierungs-Teilfläche (25) angeordnet ist.
Aktoreinheit nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (26) als Rohrfeder ausgestaltet ist.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (12) mehreckig ausgestaltet ist und eine Vielzahl von geraden Teilflächen, insbesondere mindestens drei Teilflächen, aufweist.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (12) aus mehreren, gestapelten piezokeramischen Körpern als Vielschichtaktor ausgebildet ist.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Gehäuses (16) eine Eisen-Nickel-Legierung, insbesondere mit 36% Nickel, ist.
Aktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (18) des Gehäuses (16) durch Fließpressen oder Rundhämmern hergestellt ist.
Verwendung einer Aktoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für Diesel- und/oder Benzin-Einspritzmodule.