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Die
Erfindung betrifft einen Piezokörper,
einen Piezoaktuator und einen Fluidinjektor.
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Aus
der WO 00/08353 ist ein Piezokörper
bekannt mit einem Stapel piezoelektrischer Elemente, mit zwei Kontaktstiften,
die durch die Oberfläche
des Piezokörpers
hindurchgeführt
sind. Ferner ist in der WO 00/08353 auch ein Piezoaktuator offenbart,
der neben dem Piezokörper
eine Rohrfeder umfasst, in die der Piezokörper eingebracht ist und an
deren freien Enden Kappen angeschweißt sind, wodurch der Piezokörper mit
einer vorgegebenen Vorspannung vorgespannt wird. Die Kontaktstifte
sind elektrisch leitend mit den einzelnen Elementen des Piezostapels
verbunden. Wenn eine Spannungsdifferenz an den Kontaktstiften angelegt
wird, verändert
sich die axiale Ausdehnung des Stapels der Piezoelemente. Aus der
WO 00/08353 ist es ferner bekannt, den Piezoaktuator in einem Fluidinjektor
anzuordnen.
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Piezokörper oder
auch Piezoaktuatoren haben den Vorteil einer sehr schnellen Reaktionszeit auf
Stellsignale und sind so insbesondere für den Einsatz bei Fluidinjektoren,
insbesondere im Kraftfahrzeugbereich sehr gut geeignet und ermöglichen so
mehrfache Einspritzungen von Kraftstoff in einen Zylinder einer
Brennkraftmaschine während
eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine.
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Für einen
zuverlässigen
Betrieb des Piezokörpers,
bzw. des Piezoaktuators bzw. des Fluidinjektors muss es sichergestellt
sein, dass elektrische Kurzschlüsse
vermieden werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Piezokörper, einen Piezoaktuator und
einen Fluidinjektor zu schaffen, der über eine lange Betriebsdauer
einen zuverlässigen
Betrieb ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch einen Piezokörper, der
einen Stapel piezoelektrischer Elemente, mindestens zwei Kontaktstifte
und ein Isoliermedium umfasst. Die mindestens zwei Kontaktstifte
sind durch die Oberfläche des
Piezokörpers
hindurchgeführt.
Das Isoliermedium umgibt den Stapel piezoelektrischer Elemente zumindest
teilweise. Die Kontaktstifte sind von einem Isolierelement umgeben,
das sich in axialer Richtung der Kontaktstifte durch die Oberfläche des
Piezokörpers
hindurch erstreckt. Auf diese Weise ist einfach sichergestellt,
dass ein elektrisch leitfähiges
Medium, wie z.B. Wasser, das sich im Bereich der Oberfläche des
Piezokörpers
befinden kann oder auch in einem entsprechenden axialen Abstand
zu der Oberfläche befinden
kann, keine elektrische leitende Verbindung zu einem der Kontaktstifte
herstellen kann. Dadurch, dass sich das Isolierelement in axialer
Richtung der Kontaktstifte durch die Oberfläche des Piezokörpers hindurch
erstreckt, kann einfach gewährleistet
werden, dass ein elektrisch leitfähiges Medium, das sich unmittelbar
in dem Bereich der Oberfläche
befindet, keinen elektrischen Kontakt zu dem oder den Kontaktstifte
herstellen kann.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts der Erfindung zeichnet sie sich aus durch einen
Piezoaktuator mit einer Rohrfeder, die den Piezokörper aufnimmt und
an ihren freien Enden mit einer ersten und zweiten Kappe versehen
ist.
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Gemäß eines
weiteren Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch einen Fluidinjektor
mit einem Gehäuse
und einer Nadel, wobei in dem Gehäuse der Piezoaktuator angeordnet
ist, der einen Stellantrieb für
die Nadel bildet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Isolierelement
eine Isolierhülse,
die formschlüssig
mit dem Isoliermedium verbunden ist. Auf diese Weise ist das Isolierelement
einfach gegen Abziehen gesichert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Isolierelement eine Isolierhülse, die
formschlüssig
mit einem Medium verbunden ist, das die Oberfläche des Piezokörpers bildet.
Auf diese Weise ist das Isolierelement ebenfalls einfach gegen Abziehen
gesichert. Darüber
hinaus ist das Medium, das die Oberfläche des Piezokörpers bildet,
in der Regel mechanisch sehr stabil und bietet somit guten Halt
für die
Isolierhülse.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Isolierhülse
an einem ersten freien Ende mit einem Flansch versehen, der in das
Isoliermedium bzw. das Medium eingebettet ist, das die Oberfläche des
Piezokörpers
bildet. Auf diese Weise kann einfach die Formschlussverbindung hergestellt werden.
Ferner ist die Isolierhülse
so einfach herstellbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die
Isolierhülse
eine Ausbuchtung, die in das Isoliermedium bzw. das Medium, das
die Oberfläche
des Piezokörpers
bildet, eingebettet ist. Dies hat den Vorteil, dass zum einen die
Formschlussverbindung einfach herstellbar ist und zum anderen die
Isolierhülse
ebenfalls einfach herstellbar ist. Die Isolierhülse kann so einfach durch Stauchen eines
Rohrstückes
hergestellt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat die
Isolierhülse
an einem zweiten freien Ende einen zweiten Flansch. Dadurch kann
die Isolierhülse
in axialer Richtung bezogen auf den Kontaktstift exakt positioniert
werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in
dem Medium, das die Oberfläche des
Piezokörpers
bildet, ein Bund ausgebildet, der eine Hinterschneidung aufweist,
die mit einem Gegenstück
der Isolierhülse
zusammenwirkt und so den Formschluss zwischen dem Medium und der
Isolierhülse
herstellt. Dies hat den Vorteil, dass zum einen eine zuverlässige Formschlussverbindung
zwischen dem Medium, das die Oberfläche des Piezokörpers bildet,
und der Isolierhülse
gewährleistet
werden kann, und zum anderen die Isolierhülse nach dem Herstellen des
Mediums, das die Oberfläche
des Piezokörpers
bildet, auf den Kontaktstift aufgebracht werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Isoliermedium eine Isolierschicht, die an den Kontaktstiften haftet.
Dies hat den Vorteil, dass das Isoliermedium einfach z.B. durch Besprühen oder
Eintauchen der Kontaktstifte in ein Bad mit flüssigem Isoliermedium aufbringbar
ist und so sehr wenig Material für
die Isolierschicht benö tigt wird.
Darüber
hinaus ist das Isoliermedium so sehr kostengünstig herstellbar. In diesem
Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Isolierschicht aus
Silikon besteht, da dies gute Isoliereigenschaften aufweist und
gut an dem Kontaktstift haftet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Fluidinjektor,
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2 einen
Piezoaktuator 14 mit einem Piezokörper,
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3 einen
Teilbereich einer ersten Ausführungsform
des Piezokörpers,
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4 eine
Isolierhülse,
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5 einen
Teilbereich einer zweiten Ausführungsform
des Piezokörpers,
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6 einen
Teilbereich einer dritten Ausführungsform
des Piezokörpers
und
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7 einen
Teilbereich einer vierten Ausführungsform
des Piezokörpers.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Fluidinjektor, der bevorzugt ausgebildet ist als ein Kraftstoffinjektor,
der geeignet ist zum Einspritzen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, umfasst
ein Gehäuse 1, einen
Ventilkörper 2 und
einen Piezoaktuator 14. Wenn der Fluidinjektor als Kraftstoffinjektor
ausgebildet ist, ist er bevorzugt in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
angeordnet und misst Kraftstoff in einen Verbrennungsraum eines
Zylinders der Brennkraftmaschine zu. Das Gehäuse 1 des Fluidinjektors
kann doppelrohrförmig ausgebildet
sein. In dem Zwischenraum zwischen den Wänden dieser Doppelrohre kann
dann das Fluid hin zu dem Ventilkörper 2 geführt werden.
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Der
Ventilkörper 2 umfasst
ein Ventilkörpergehäuse 4 mit
einer Ausnehmung und einer Nadel 6, die in die Ausnehmung
des Ventilkörpergehäuses 4 eingesetzt
ist und im Bereich einer Führung 8 in
dem Ventilkörpergehäuse 4 geführt ist.
Abhängig
von der Position der Nadel 6 fließt Kraftstoff durch eine Einspritzdüse, die
zwischen einem Bereich der Spitze der Nadel 6 und des Ventilkörpergehäuses gebildet wird.
Bevorzugt ist die Nadel 6 nach außen öffnend ausgebildet. Sie kann
jedoch auch nach innen öffnend
ausgebildet sein. Die Nadel 6 wird durch eine Rückstellfeder 10 in
ihre Schließposition
vorgespannt. Die Rückstellfeder 10 stützt sich
auf einem Federteller 12 ab, der mit der Nadel 6 verbunden
ist. Die Rückstellfeder 10 übt in der
Schließrichtung
eine Kraft auf die Nadel 6 aus.
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Der
Piezoaktuator 14 ist in ein inneres Rohr 15 des
Gehäuses 1 eingesetzt.
Der Piezoaktuator 14 wird im Bereich seines axialen Endes
von einem thermischen Ausgleichselement 38 kontaktiert.
An seinem anderen axialen Ende ist er mit der Nadel 8 wirkverbunden.
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Der
Piezoaktuator 14 umfasst ferner eine erste Kappe 28,
die in einem ersten Bereich 30 mit einer Rohrfeder 26 verschweißt ist.
Ferner ist eine zweite Kappe 32 vorgesehen, die in einem zweiten Bereich 34 mit
der Rohrfeder 26 verschweißt ist und so einen Piezokörper mit
einer vorgegebenen Vorspannkraft vorspannt.
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Der
Piezokörper 14 umfasst
einen Piezostapel 16, der eine Vielzahl an piezoelektrischen
Elementen umfasst. Ferner umfasst der Piezokörper zwei Kontaktstifte 18,
die über
Kontaktdrähte 20 (7)
mit den einzelnen piezoelektrischen Elementen elektrisch leitend
verbunden sind. Der Piezostapel 16 ist entlang seiner axialen
Ausdehnung von einer Vergussmasse 22 umgeben, die bevorzugt
aus Silikon besteht. Die Vergussmasse 22 umschließt auch
die Kontaktstifte 18 entlang der axialen Ausdehnung des
Piezostapels 16. Die Vergussmasse 22 bildet ein
Isoliermedium.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
des Piezokörpers
(3) ist ein Isolierelement als eine Isolierhülse 40 ausgebildet.
Die Isolierhülse 40 hat
an einem ersten freien Ende einen ersten Flansch 42, der
in die Vergussmasse 22 eingebettet ist. Durch das Zusammenwirken
des ersten Flansches 42 mit der ihn umgebenden Vergussmasse 22 ist
ein Formschluss zwischen der Vergussmasse 22 und der Isolierhülse 40 gewährleistet.
Darüber
hinaus ist sichergestellt, dass keine Fehlstellen zwischen der Vergussmasse 22 und
der Isolierhülse 40 auftreten
können.
Unter Fehlstellen werden Stellen verstanden, an denen durch ein
elektrisch leitfähiges
Medium eine elektrische Verbindung zu dem Kontaktstift 18 hergestellt
werden kann.
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Die
Isolierhülse 40 weist
bevorzugt ferner an einem zweiten freien Ende einen zweiten Flansch 44 auf.
Auf diese Weise kann beim Herstellen des Piezokörpers eine axiale Position
der Isolierhülse
relativ zu dem Kontaktstift 18 präzise ein gestellt werden durch
ein entsprechendes Positionieren der Isolierhülse 40 durch ein Einwirken
auf den zweiten Flansch 44. Die Isolierhülse 40 kann
einfach und flexibel hergestellt werden. Sie besteht bevorzugt aus Polyethylen
oder auch Teflon und kann z.B. durch Extrudieren gefertigt werden.
So kann beispielsweise zunächst
ein Rohrstück
hergestellt werden, dessen freie Enden dann plastisch, gegebenenfalls
thermomechanisch verformt werden und so der erste Flansch 42 und/oder
der zweite Flansch 44 ausgebildet werden. Die axiale Ausdehnung
der Isolierhülse 40 kann
einfach geeignet gewählt
werden, um die gewünschten
Isoliereigenschaften zu gewährleisten.
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4 zeigt
eine weitere mögliche
Ausführungsform
der Isolierhülse 40.
Als Formschlusselement enthält
bei dieser Ausführungsform
die Isolierhülse 40 eine
Ausbuchtung 46. Diese Ausbuchtung kann beim Herstellen
der Isolierhülse
aus einem rohrförmigen
Körper
durch Stauchen dieses rohrförmigen Körpers gegebenenfalls
unter lokaler Wärmeeinwirkung
erfolgen.
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Eine
zweite Ausführungsform
des Piezokörpers
(5) weist einen Grundkörper 24 auf. Der Grundkörper 24 bildet
ein Medium, das die Oberfläche
des Piezokörpers
bildet oder zumindest einen Teilbereich der Oberfläche des
Piezokörpers
bildet. Der Grundkörper 24 bildet
so eine äußere Hülle des Piezokörpers und
nimmt die Vergussmasse 22 auf. Der Grundkörper 24 ist
bevorzugt aus einem Kunststoff hergestellt, der eine größere Härte aufweist
als die Vergussmasse 22 und so mechanisch stabiler ist als
die Vergussmasse 22. Der Grundkörper 24 kann beispielsweise
aus Polyamid bestehen. Der erste Flansch 42 oder auch die
Ausbuchtung 46 sind in den Grundkörper 24 eingebettet.
Dadurch sind der Grundkörper 24 und
die Isolierhülse 40 formschlüssig miteinander
verbunden. Diese Ausführungs form des
Piezokörpers
hat den Vorteil, dass die Formschlussverbindung zwischen der isolierenden
Hülse und
dem Grundkörper 24 aufgrund
der Materialeigenschaften des Grundkörpers 24 mechanisch
sehr stabil ist. Bevorzugt ist der Grundkörper 24 aus zwei Halbschalen
ausgebildet, die von den beiden axialen Enden des Piezostapels 16 ineinander
gesteckt und ebenfalls formschlüssig
miteinander gekoppelt sind.
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Der
Piezokörper
gemäß der ersten
Ausführungsform
kann ebenfalls mit dem Grundkörper 24 versehen
sein.
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In
einer dritten Ausführungsform
des Piezokörpers
(6) ist in dem Grundkörper 24 ein Bund 48 ausgebildet
mit einer Hinterschneidung 50. Die Hinterschneidung 50 wirkt
mit einem Gegenstück 52 in
der Isolierhülse 40 derart
zusammen, dass die Isolierhülse 40 und
der Grundkörper 24 überlappend formschlüssig verbunden
sind. Beim Herstellen des Piezokörpers
wird die Isolierhülse 40 bevorzugt
auf den Bund 48 aufgepresst. Auch bei dieser Ausführungsform
der Isolierhülse 40 kann
diese einfach und flexibel hergestellt werden, z.B. durch Extrudieren. Die
axiale Ausdehnung der Isolierhülse
ist auch hier frei wählbar.
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Bei
einer vierten Ausführungsform
des Piezokörpers
(7) ist das Isoliermedium eine Isolierschicht 54,
die an den Kontaktstiften 18 haftet. Bevorzugt sind die
Kontaktstifte 18 im wesentlichen entlang ihrer gesamten
axialen Ausdehnung mit der Isolierschicht versehen. Dies kann durch
einfaches Aufsprühen
der Isolierschicht oder auch durch Eintauchen der Kontaktstifte
in eine entsprechend flüssige Masse,
die dann die Isolierschicht 54 bildet, erfolgen. Bevorzugt
ist die Isolierschicht 54 aus Silikon ausgebildet. Bevorzugt
werden ferner sowohl die Kontaktstifte 18 als auch die
Kontaktdrähte 20 mit
der Isolierschicht 54 versehen. Die Isolierschicht 54 haftet
so zum einen an dem Kontaktstift 18 und ist andererseits
auch durch ein Formschluss gegen Abziehen gesichert. Bevorzugt erfolgt
das Aufbringen der Isolierschicht 18 durch mehrmaliges
aufeinanderfolgendes Besprühen
oder Eintauchen der Kontaktstifte 18. Auf diese Weise können Fehlstellen äußerst zuverlässig vermieden
werden. Anschließend
wird dann die Vergussmasse 22 eingebracht. Gegebenenfalls kann
auch bei dieser Ausführungsform
der Grundkörper 24 vorhanden
sein. Die Isolierschicht 54 kann jedoch auch nur in einem
entsprechend günstig
gewählten
Teilbereich entlang der axialen Ausdehnung des Kontaktstiftes 18 vorgesehen
sein.