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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
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Aus der
DE 103 327 A1 ist ein Injektor für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden Dieselmotoren, bekannt. Der bekannte Injektor umfasst einen in einem Injektorkörper angeordneten Piezoaktor, der über Federmittel einerseits mit dem Injektor und andererseits mit einem hülsenartigen Übersetzerkolben in Anlage gehalten wird. Hierbei wird durch den über den Übersetzerkolben auf den Piezoaktor wirkenden Druck der Piezoaktor an seiner Oberseite gegen den Injektorkörper abgedichtet. Ein elektrischer Anschluss kann durch eine abgewinkelte Bohrung aus dem Injektorkörper herausgeführt werden.
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Bei einem piezoelektrischen Aktor besteht das Problem, dass gegebenenfalls eine Kapselung mittels einer metallischen Hülse oder dergleichen erforderlich ist, wobei über die metallische Hülse ein Kurzschluss erzeugt werden kann. Beispielsweise kann eine Außenelektrode mit der metallischen Hülse in Kontakt gelangen, so dass ein Kurzschluss auftritt. Deshalb muss der Aktor zuverlässig angeordnet, insbesondere zentriert sein. Beispielsweise kann der Aktorkörper im Bereich eines Übergangsstücks an seinem Endabschnitt umfänglich gehalten werden. Dies verlängert jedoch den Aktorkörper durch ein entsprechend langes keramisches Endstück beziehungsweise verringert bei vorgegebener Aktorlänge die Anzahl der wirksamen keramischen Schichten des aktiven Bereichs und somit des Dehnungsvermögens des Aktorkörpers.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine zuverlässige Ausrichtung des Aktorkörpers gewährleistet ist und zugleich die Länge eines aktiven Bereichs des Aktorkörpers relativ groß ist. Speziell kann sich der aktive Bereich des Aktorkörpers fast über die gesamte Länge des Aktorkörpers erstrecken.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 11 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In vorteilhafter Weise ist zumindest eine Außenelektrodenanbindung vorgesehen, wobei die Umspritzung den Aktorkörper bis zu der Außenelektrodenanbindung oder beabstandet von der Außenelektrodenanbindung abschnittsweise umgibt. Insbesondere kann die Umspritzung den Aktorkörper bis zu der Außenelektrodenanbindung oder etwas beabstandet von der Außenelektrodenanbindung abschnittsweise umgeben. Hierdurch kann sich die Umspritzung zumindest im Wesentlichen bis zu der Außenelektrodenanbindung erstrecken. Im Bereich der Außenelektrodenanbindung ist somit ein Dehnungsvermögen des Aktorkörpers unbeeinflusst. Vorzugsweise erstreckt sich die Außenelektrodenanbindung entlang einer Längsachse des Aktorkörpers gerade über den aktiven Bereich. Durch die Umspritzung kann somit eine Anordnung des Aktorkörpers in Bezug auf das Übergangsstück gewährleistet werden. Speziell kann eine Zentrierung des Aktorkörpers in Bezug auf das Übergangsstück beziehungsweise in Bezug auf eine Längsachse des piezoelektrischen Aktors mit dem Aktorkörper gewährleistet werden. Der Aktorkörper kann hierbei in die Umspritzung gestellt und fixiert werden. Dadurch ist ein Wandern des Aktorkörpers in Bezug auf das Übergangsstück während des Betriebs, bei dem eine Vielzahl von Betätigungen des Aktorkörpers zum Dehnen und Zusammenziehen des Aktorkörpers entlang der Längsachse erfolgt, verhindert.
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Vorteilhaft ist es, dass der Aktorkörper an einer Stirnseite des Aktorkörpers, an die das Übergangsstück angefügt ist, eine Fase aufweist, und dass die Umspritzung zum abschnittsweisen Umgeben des Aktorkörpers den Aktorkörper zumindest an der Fase und/oder zumindest im Wesentlichen nur an der Fase umgibt. Hierdurch kann ein aktiver Bereich des Aktorkörpers in seiner Länge weiter optimiert werden. Durch die Fase wird die Anordnung, insbesondere symmetrische Anordnung, des Aktorkörpers bezüglich des Übergangsstücks auf Grund des ausgebildeten Formschlusses gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es auch, dass sich der aktive Bereich des Aktorkörpers weitgehend bis zu einer Stirnseite des Aktorkörpers, an die das Übergangsstück angefügt ist, erstreckt. Hierbei ist es speziell von Vorteil, dass die Elektrodenschicht des aktiven Bereichs, die am nächsten an der Stirnseite des Aktorkörpers, an die das Übergangsstück angefügt ist, angeordnet ist, durch eine keramische Trennschicht von der Stirnseite des Aktorkörpers getrennt ist. Hierbei können eine Dicke der keramischen Trennschicht und eine durchschnittliche Dicke der einzelnen keramischen Schichten des aktiven Bereichs in vorteilhafter Weise von der gleichen Größenordnung sein. Speziell unterscheiden sich die Dicken der Trennschicht und der einzelnen keramischen Schichten somit um weniger als den Faktor 10. Hierbei ist außerdem neben der vorteilhaften Zentrierung und langen Ausgestaltung des aktiven Bereichs eine elektrische Isolierung der Elektrodenschichten gegenüber einem beispielsweise metallischen Übergangsstück gewährleistet.
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In vorteilhafter Weise ist das Übergangsstück, das an den Aktorkörper angefügt ist, als Aktorfuß ausgestaltet. Ferner ist es vorteilhaft, dass eine Dichthülse vorgesehen ist, die den Aktorkörper gegenüber der Umgebung abdichtet, dass die Dichthülse durch Verbinden mit dem Übergangsstück zumindest näherungsweise an der Längsachse ausgerichtet ist und dass der Aktorkörper durch die Umspritzung bezüglich der Längsachse zumindest im Wesentlichen zentriert und umfänglich beabstandet zu der Dichthülse ausgerichtet ist. Um eine gute Medienbeständigkeit und eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten, ist die Dichthülse vorzugsweise als metallische Dichthülse ausgestaltet. Somit kann ein vorgegebener Abstand des Aktorkörper und der gegebenenfalls an der Außenseite des Aktorkörpers vorgesehenen Elektrodenanbindungen zur Hülse sichergestellt werden. Kurzschlüsse zwischen den Außenelektrodenanbindungen und der Dichthülse sind somit in allen Betriebszuständen verhindert. Gleichzeitig kann der Ausschuss an der Montagelinie in der Hochspannungsprüfung, in der stark unsymmetrische Aktorkörper detektiert werden können, verringert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen oder gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das beispielsweise Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignet sich besonders für solche Brennstoffeinspritzventile 1. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und der erfindungsgemäße Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Düsenkörper 4 auf. Der piezoelektrische Aktor 2 ist in einem innerhalb des Ventilgehäuses 3 ausgebildeten Aktorraums 5 angeordnet. Ferner ist innerhalb des Düsenkörpers 4 ein Brennstoffraum 6 ausgebildet, der im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 mit unter hohem Druck stehenden Brennstoff gefüllt ist.
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Der piezoelektrische Aktor 2 weist elektrische Zuleitungen 7, 8 auf, über die ein Aktorkörper 9 des piezoelektrischen Aktors 2 geladen und entladen werden kann. Beim Laden dehnt sich der Aktorkörper 9 entlang einer Längsachse 10 aus und zieht sich beim Entladen wieder zusammen. Hierdurch ist eine Betätigung einer Ventilnadel 11 möglich, wie es durch den Doppelpfeil 12 veranschaulicht ist. Der piezoelektrische Aktor 2 steht hierbei in geeigneter Wirkverbindung mit der Ventilnadel 11, die direkt oder indirekt, beispielsweise mittels eines hydraulischen Kopplers, besteht. Die Ventilnadel 11 weist einen Ventilschließkörper 13 auf, der mit einer an dem Düsenkörper 4 ausgestalteten Ventilsitzfläche 14 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Entsprechend der Bewegung der Ventilnadel 11 wird ein Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 6 über eine in dem Düsenkörper 4 vorgesehene Düsenöffnung 15 ermöglicht.
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Der piezoelektrische Aktor 2 weist Übergangsstücke 20, 21 auf. Hierbei ist das Übergangsstück 20 als Aktorfuß 20 ausgebildet, während das Übergangsstück 21 als Aktorkopf 21 ausgebildet ist. Der Aktorkörper 9 ist zwischen den Übergangsstücken 20, 21 angeordnet. Hierbei weist der Aktorkörper eine Stirnfläche 22, an die der Aktorfuß 20 angefügt ist, und eine Stirnfläche 23 auf, an die der Aktorkopf 21 angefügt ist.
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Ferner weist der piezoelektrische Aktor 2 eine Dichthülse 24 auf, die einerseits über eine Schweißnaht mit dem Aktorfuß 20 und andererseits über eine weitere Schweißnaht mit dem Aktorkopf 21 verbunden ist. Die Dichthülse 24 ist vorzugsweise als metallische Dichthülse 24 ausgestaltet. Hierdurch ist der Aktorkörper 9 gegenüber dem Aktorraum 5 abgedichtet. Die Dichthülse 24 ist hierbei medienbeständig, insbesondere beständig gegenüber Brennstoff, Öl, Wasser oder anderen Medien, die den piezoelektrischen Aktor 2 umgeben.
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Der Aktorkörper 9 des piezoelektrischen Aktors 2 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 25 und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 25 angeordneten Elektrodenschichten 26, 27, 28 auf. Hierbei sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die Elektrodenschichten 26, 27, 28 gekennzeichnet. Die Elektrodenschicht 27 ist von allen Elektrodenschichten am nächsten an der Stirnfläche (Stirnseite) 22 und somit an dem Übergangsstück 20 angeordnet. Die Elektrodenschicht 28 ist hingegen am nächsten an der Stirnfläche (Stirnseite) 23 und somit dem Übergangsstück 21 angeordnet. Zwischen den Elektrodenschichten 27, 28 befindet sich somit ein aktiver Bereich 29 des Aktorkörpers 9. In dem aktiven Bereich 29 kommt es beim Laden und Entladen des Aktorkörpers 9 zu einem Hub auf Grund des piezoelektrischen Effekts in den keramischen Schichten 25, die aus piezokeramischen Material gebildet sind.
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An einer Außenseite 30 des Aktorkörpers 9 sind in diesem Ausführungsbeispiel Außenelektrodenanbindungen 31, 32 angebracht. Hierbei ist die Außenelektrodenanbindung 31 mit einem Teil der Elektrodenschichten verbunden, während die Außenelektrodenanbindung 32 mit den anderen Elektrodenschichten verbunden ist. Hierbei sind die Elektrodenschichten abwechselnd mit den Außenelektrodenanbindungen 31, 32 verbunden. Die elektrischen Zuleitungen 7, 8 sind auf geeignete Weise durch den Aktorfuß 20 und zu den Außenelektrodenanbindungen 31, 32 geführt und mit den Außenelektrodenanbindungen 31, 32 elektrisch kontaktiert.
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Bei der Herstellung und im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht das Problem, dass es über die metallische Dichthülse 24 zu einem Kurzschluss kommen kann. Beispielsweise können die Außenelektrodenanbindungen 31, 32 über die metallische Dichthülse 24 miteinander kurzgeschlossen werden. Außerdem kann zumindest eine der Außenelektrodenanbindungen 31, 32 über die Dichthülse 24 mit den Übergangsstücken 20, 21 kurzgeschlossen werden. Speziell bei sehr langen Aktorkörpern 9, die entlang der Längsachse 10 ausgedehnt sind, können sich bereits relativ kleine Schrägstellungen des Aktorkörpers 9 in einer solchen Fehlfunktion auswirken. Beispielsweise kann der Aktorkörper 9 gegenüber der Längsachse 10 verkippt zwischen den Übergangsstücken 20, 21 angeordnet sein. Möglich ist es auch, dass der Aktorkörper 9 im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 zwar weitgehend koaxial zu der Längsachse 10 ausgerichtet ist, aber in radialer Richtung auf die Dichthülse 24 zuwandert. Solche Fehlstellungen sind auch während der Montage denkbar, so dass beispielsweise bei einer Hochspannungsprüfung ein Ausschuss erkannt wird. Diese und ähnliche Probleme, die bei einer ungenügenden Positionierung des Aktorkörpers 9 zwischen den Übergangsstücken 20, 21 auftreten, sind möglichst zu vermeiden, um den Ausschuss zu verringern und eine Fehlfunktion während des Betriebs zu verhindern. Speziell ist eine Ausrichtung des Aktorkörpers 9 bezüglich der Längsachse 10 erforderlich.
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Der piezoelektrische Aktor 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 des Ausführungsbeispiels weist zur Lösung dieser Problematik im Bereich des Übergangsstück 20 eine Umspritzung 35 auf. Zusätzlich oder alternativ kann eine entsprechende Umspritzung auch im Bereich des Übergangsstücks 21 vorgesehen sein. Vorzugsweise ist allerdings zumindest eine Umspritzung 35 an dem als Aktorfuß ausgestalteten Übergangsstück 20 vorgesehen. Die Umspritzung 35 umgibt hierbei zum einen abschnittsweise das Übergangsstück 20. Die Umspritzung 35 umschließt das Übergangsstück 20 hierbei in dem Abschnitt 36 umfänglich. Der Abschnitt 36, in dem die Umspritzung 35 das Übergangsstück 20 umgibt, kann sich allerdings auch zumindest im Wesentlichen über die gesamte, entlang der Längsachse 10 betrachtete Länge des Übergangsstücks 20 erstrecken. Ferner umgibt die Umspritzung 35 den Aktorkörper 9 abschnittsweise. Hierdurch ist der Aktorkörper 9 von der Umspritzung 35 in einem Abschnitt 37 umfänglich umgeben. Der Abschnitt 37 reicht hierbei maximal bis zu dem aktiven Bereich 29. Hierdurch ist der aktive Bereich 29 des Aktorkörpers 9 von der Umspritzung 35 freigelassen.
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Zwischen der Elektrodenschicht 27 und der Stirnseite 22 befindet sich eine keramische Trennschicht 39. Eine entsprechende Trennschicht 40 befindet sich zwischen der Elektrodenschicht 28 und der Stirnseite 23 des Aktorkörpers 9. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Trennschicht 39 abschnittsweise von der Umspritzung 35 umgeben, so dass zwischen dem aktiven Bereich 29 und dem Abschnitt 37 ein gewisser Abstand verbleibt. Ferner ist die Umspritzung 35 etwas beabstandet zu den Außenelektrodenanbindungen 31, 32 ausgestaltet.
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Die Trennschicht 39 weist eine Fase 41 auf. Hierbei ist die Fase 41 im Bereich der Stirnseite 22 an der Trennschicht 39 des Aktorkörpers 9 ausgestaltet. Die Umspritzung 35 umgibt den Aktorkörper 9 zumindest im Bereich der Fase 41. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Abschnitt 37 etwas weiter als die Fase 41 ausgestaltet ist.
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Eine Dicke 42 der Trennschicht 39 ist relativ klein vorgegeben. Speziell können die Dicke 42 der keramischen Trennschicht 39 und eine durchschnittliche Dicke 43 der keramischen Schichten 25 des Aktorkörpers 9 von der gleichen Größenordnung sein.
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In Bezug auf die Gesamtlänge des Aktorkörpers 9 entlang der Längsachse 10 ergibt sich somit ein relativ großer aktiver Bereich 29, der sich fast über die gesamte Länge des Aktorkörpers 9 erstreckt. Die Trennschichten 39, 40 ermöglichen hierbei eine elektrische Isolierung gegenüber den Übergangsstücken 20, 21.
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Durch die Umspritzung 35 ist der Aktorkörper 9 bezüglich der Längsachse 10 des piezoelektrischen Aktors 2 ausgerichtet. Auf Grund der Verbindung der Dichthülse 24 mit den Übergangsstücken 20, 21 ist auch die Dichthülse 24 zuverlässig bezüglich der Längsachse 10 ausgerichtet. Hierdurch kann ein gewünschter Abstand zwischen dem Aktorkörper 9 und der Dichthülse 24 vorgegeben werden, der auch im Betrieb eingehalten ist.
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Zwischen der Fase 41 des Aktorkörpers 9 und der auch an die Fase 41 gespritzten Umspritzung 35 ist eine formschlüssige Verbindung und somit Zentrierung des Aktorkörpers 9 gewährleistet. Dies verhindert ein Wandern des Aktorkörpers 9 in radialer Richtung. Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel die Dichthülse 24 an der Umspritzung 35 entlang geführt, so dass der gewünschte Abstand zwischen dem Aktorkörper 9 beziehungsweise den Außenelektrodenanbindungen 31, 32 und der Dichthülse 24 über die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils 1 zuverlässig eingehalten ist.
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Eine zusätzlich oder alternativ im Bereich des Übergangsstücks 21 vorgesehene Umspritzung kann entsprechend der Umspritzung 35 ausgestaltet sein. Hierbei kann eine entsprechende Ausgestaltung des Aktorkörpers 9 an der Stirnseite 23 vorgegeben sein, insbesondere eine Fase 44.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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