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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzventils
und ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil zum Zumessen
von Kraftstoff in einem Brennraum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen
gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine
erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung
von Ruß ist
stark abhängig
von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder
der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu
erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen.
Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen
betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu 2000 bar. Für
derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch
mit einem Piezo-Aktuator. Derartige Einspritzventile zeichnen sich
aus durch sehr kurze Ansprechzeiten des als Stellantrieb ausgebildeten
Piezo-Aktuators. Sie ermöglichen
so gegebenenfalls auch mehrfache Einspritzungen während eines
Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine.
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Aus
der
EP 1 111 230 A ist
ein Einspritzventil bekannt mit einem Injektorgehäuse, das
eine Ausnehmung aufweist. Dem Einspritzventil ist ferner ein Piezo-Aktuator
zugeordnet, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet
ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente umfasst. Der
Piezo-Aktuator ist
in eine Rohrfeder eingebracht, die an ihren axialen Enden mit Kappen
fest verbunden ist, über
die eine Vorspannungskraft hervorgerufen durch die Rohrfeder in
den Stapel piezoelektrischer Elemente eingeleitet wird. In der Ausnehmung
des Injektorgehäuses
sind zwei Faltenbalge angeordnet, die gewährleisten, dass der piezoelektrische
Aktuator nicht mit Kraftstoff in Kontakt kommt.
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Das
Injektorgehäuse,
das regelmäßig aus Stahl
hergestellt ist und der Stapel piezoelektrischer Elemente weisen
erheblich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.
Bei einem Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine muss
das Einspritzventil bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben
werden können
und während
des Betriebs können
auch relativ schnelle Änderungen
der Temperatur auftreten.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, bei
dem in einem weiten Temperaturbereich ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil mit einem
Injektorgehäuse,
das eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der
Ausnehmung des Injektorgehäuses
angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und
ein thermisches Ausgleichselement umfasst. Ein Bereich eines Spalts
zwischen dem Piezo-Aktuator und einer Wandung der Ausnehmung des
Injektorgehäuses
ist mit einem Füllmaterial
ausgefüllt,
das eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat. Der Bereich des Spalts, der mit dem Füllmaterial ausgefüllt ist,
kann der gesamte Spalt sein, also der gesamte axiale Bereich, über den
sich der Piezo-Aktuator erstreckt. Er kann jedoch auch nur einen
Teil der axialen Erstreckung des Piezo-Aktuators umfassen. Durch
das Füllmaterial
erfolgt ein guter thermischer Ausgleich zwischen dem Piezo-Aktuator
und dem Injektorgehäuse.
So kann gewährleistet
werden, dass Temperaturunterschiede zwischen dem Piezo-Aktuator
und dem Injektorgehäuse
stationär
und instationär
sehr gering sind. Dadurch kann einfach sichergestellt werden, dass
sich Temperaturschwankungen des Piezo-Aktuators oder des Injektorgehäuses unwesentlich
auf ein Ansteuerverhalten eines Stellglieds des Einspritzventils
auswirken.
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Ferner
kann so Wärme,
die in dem Piezo-Aktuator erzeugt wird, sehr gut über das
Injektorgehäuse
abgeführt
werden. Dies ist insbesondere bei Mehrfach-Einspritzungen während eines
Arbeitszyklusses eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ein gewichtiger
Vorteil.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils ist der Spalt
in dem axialen Bereich, in dem das thermische Ausgleichselement
angeordnet ist, mit dem Füllmaterial
ausgefüllt.
In dem axialen Bereich, in dem der Stapel piezoelektrischer Elemente
sich erstreckt, ist der Spalt frei ist von dem Füllmaterial. Auf diese Weise
kann ein ausreichend guter thermischer Ausgleich zwischen dem Piezo-Aktuator und
dem Injektorgehäuse
gewährleistet
werden und andererseits sichergestellt werden, dass die piezoelektrischen
Elemente oder eine umgebende Schutzschicht, die beispielsweise Silikon
ist, durch das Füllmaterial
nicht beschädigt
wird. Derartige Be schädigungen
können
beispielsweise durch chemisch aggressive Eigenschaften des Füllmaterials
hervorgerufen sein.
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Wenn
jedoch aufgrund einer entsprechenden Schutzhülle, die die Schutzschicht
oder die piezoelektrischen Elemente umgibt oder aufgrund einer guten
chemischen Verträglichkeit
des Füllmaterials keine
Beschädigungen
zu erwarten sind, kann jedoch auch das Füllmaterial den Spalt in dem
Bereich zwischen den piezoelektrischen Elementen und der Wandung
der Ausnehmung des Injektorgehäuses ausfüllen. Gegebenenfalls
kann dann auch nur der Bereich des Spaltes zwischen den piezoelektrischen Elementen
und der Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses oder ein Teil davon mit
dem Füllmaterial
ausgefüllt
sein.
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Besonders
vorteilhaft ist als Füllmaterial
eine Wärmeleitpaste
vorgesehen, die insbesondere Polymere umfasst, die mit feinen und
verteilten gut wärmeleitenden
Feststoffpartikeln versehen sind, die z.B. Metalle sein können.
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Sehr
vorteilhaft ist es auch, wenn das Füllmaterial ein Transformatoröl ist. Transformatoröl zeichnet
sich aus durch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und
sehr gute elektrische Isolationseigenschaften.
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Die
Erfindung zeichnet sich ferner aus durch ein Verfahren zum Herstellen
des Einspritzventils, bei dem ein Bereich des Spalts zwischen dem
Aktuator und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses mit
einem Füllmaterial
ausgefüllt
wird, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Unterdruck
erzeugt und anschließend
das Füllmaterial
in den Spalt eingebracht. Durch den Unterdruck, insbesondere wenn
der Unterdruck nahezu Vakuum entspricht, kann sichergestellt werden,
dass gegebenenfalls in dem Füllmaterial
gebundene Gase, wie Luft beim Einfüllen ausdampfen und somit während des
Betriebs des Einspritzventils und einer dabei gegebenenfalls erfolgenden
stärkeren
Erwärmung
kein unerwünschter Überdruck
in dem Spalt durch sich entsprechend ausdehnende Gasblasen entsteht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der
Spalt von außerhalb
des Injektorgehäuses über zwei
Ausnehmungen zugänglich, wobei
eine erste Ausnehmung geeignet ist zum Befüllen des Spalts mit dem Füllmaterial
und eine zweite Ausnehmung geeignet ist zum Entlüften des Spalts während des
Befüllens
mit dem Füllmaterial.
Das Füllmaterial
wird durch eine erste Ausnehmung eingebracht. Anschließend werden
die ersten und zweiten Ausnehmungen abgedichtet. Auf diese Weise kann
ein gutes Befüllen
des gewünschten
Bereichs des Spaltes beim Herstellen des Einspritzventils einfach
erfolgen und sichergestellt werden, dass sich keine Hohlräume bilden.
Auf diese Weise kann ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem Piezo-Aktuator
und dem Injektorgehäuse
gewährleistet
werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn in die ersten und zweiten
Ausnehmungen zum Abdichten je ein topfförmiges Element eingebracht wird,
in dem eine Kugel verstemmt wird. Dadurch kann einfach eine sehr
gute Dichtwirkung gewährleistet
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Einspritzventils und
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2 eine
zweite Ausführungsform
des Einspritzventils.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Ein
Einspritzventil (1) hat ein Injektorgehäuse 1,
das eine Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aufweist. In
die Ausnehmung 2 ist ein Piezo-Aktuator eingesetzt, der
mit einem Übertrager 6 gekoppelt
ist. Der Übertrager 6 ist
in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10,
das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet,
dass es abhängig
von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausführungsform
bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit
dem Piezo-Aktuator gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung
des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators eingestellt.
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Das
Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet.
Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen
Düsenkörper 16. Die
Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden
eine Düsenbaugruppe, die
mittels einer Düsenspannmutter 18 an
dem Injektorgehäuse 1 befestigt
ist.
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Der
Nadelführungskörper 14 hat
eine Ausnehmung, die als Ausnehmung 22 des Düsenkörpers 16 in
dem Düsenkörper 16 fortgesetzt
ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet
ist. Die Düsennadel 24 ist
in den Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Düsenfeder 26 spannt
die Düsennadel 24 in
eine Schließpositi on
vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse 28 unterbindet.
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An
dem axialen Ende der Düsennadel 24, das
hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet,
der über
eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch
gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließstellung,
so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem
Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem
Schließen
des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im
wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht.
Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils
in einer Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffhochdruckspeicher
hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von
beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
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Über den
Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf
eine Stirnfläche
der Düsennadel 24 ein
Druck in Schließrichtung der
Düsennadel 24 ausgeübt. Die
Düsennadel 24 weist
ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit
Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart
beaufschlagt wird, dass eine öffnend
wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt.
In ihrer Offenstellung gibt die Düsennadel 24 den Kraftstofffluss
durch die Einspritzdüse 28 frei.
Ob die Düsennadel 24 sich
in ihrer Offenstellung oder in ihrer Schließstellung befindet hängt davon
ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den
dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder
kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den
auf die Stirnfläche der
Düsennadel 24 einwirkenden
Druck hervorgerufen wird.
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Befindet
sich das Schaltventil 10 in seiner Offenstellung, so strömt Fluid
von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein
in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der
Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30,
was schließlich
zu einer Bewegung der Düsennadel
in ihre Offenstellung führt.
Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich
geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
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Der
Piezo-Aktuator umfasst einen Stapel 34 piezoelektrischer
Elemente und ein Ausgleichselement 36, das bevorzugt als
ein Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet
ist. Der Stapel piezoelektrischer Elemente 34 und das Ausgleichselement 36 sind
in eine Rohrfeder 40 eingebracht. Alternativ kann das Ausgleichselement 36 auch
außerhalb
der Rohrfeder 40 angeordnet sein. Die Rohrfeder 40 ist
an ihrem einen axialen Ende mit einer ersten Kappe verschweißt, die
gegebenenfalls als der Übertrager 6 ausgebildet
sein kann. An ihrem anderen axialen Ende ist die Rohrfeder 40 mit
einem Fixierelement 38 verschweißt. Die Rohrfeder 40 steht unter
einer vorgegebenen Vorspannung und spannt so den Stapel der piezoelektrischen
Elemente mit einer vorgebbaren Kraft vor. Das Fixierelement 38 ist bevorzugt
mit dem Injektorgehäuse 1 form-
und/oder kraftschlüssig
verbunden, insbesondere verstemmt.
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Zwischen
der Oberfläche
der Rohrfeder 40 und der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 befindet
sich ein Spalt 41. Die Rohrfeder 40 kann unterschiedlich
ausgebildet sein. So kann sie zum Beispiel im Bereich des thermischen
Ausgleichselements 36 größere Ausnehmungen aufweisen.
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Das
thermische Ausgleichselement hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und eine axiale Länge,
die so gewählt
sind, dass bei einer gleichen Temperatur des thermischen Ausgleichselements 36 und
des Injektorgehäuses 1 sich
die axiale Ausdehnung des Piezo-Aktuators 4 bei Temperaturänderungen
genauso verhält
wie die axiale Ausdehnung des Injektorgehäuses.
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Für ein gleichbleibendes
Schaltverhalten des Piezo-Aktuators 4 muss somit zusätzlich gewährleistet
sein, dass Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement 36 und
dem Injektorgehäuse
sehr gering sind. Zu diesem Zweck ist in einem axialen Bereich des
Spalts 41 ein Füllmaterial 44 eingebracht,
das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
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Der
axiale Bereich, in dem das Füllmaterial 44 in
den Spalt eingebracht ist, ist beispielhaft in der Ausführungsform
des Einspritzventils gemäß der 1 der
axiale Bereich, entlang dessen sich das Ausgleichselement 36 erstreckt.
Auf diese Weise ist einfach sichergestellt, dass auch bei größeren Temperaturschwankungen
des Injektorgehäuses 1 oder auch
des Piezo-Aktuators keine wesentlichen Temperaturunterschiede zwischen
dem Injektorgehäuse und
dem Piezo-Aktuator auftreten und somit ein gleichbleibendes Schaltverhalten
des Einspritzventils gewährleistet
werden kann.
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Bevorzugt
ist der axiale Bereich, in den das Füllmaterial 44 in den
Spalt 41 von dem Bereich des Spalts 41, der frei
ist von dem Füllmaterial 44,
durch einen O-Ring 46 oder ein gleichwertiges Isolierelement
getrennt. Ein günstig
verfügbarer
O-Ring 56 kann hierzu eingesetzt werden, ohne dass er hohen Druckdifferenzen
standhalten muss.
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Bevorzugt
ist das Füllmaterial 44 eine
Wärmeleitpaste,
die Polymere umfasst und bevorzugt einen hohen Anteil an feinsten
Partikeln hat, die für eine
gute Wärmeleitung
sorgen. Die feinsten Partikel sind beispielsweise aus Silber, Aluminiumoxid,
Zinkoxid oder dergleichen.
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Beim
Herstellen des Einspritzventils wird das Füllmaterial 44 durch
eine erste Ausnehmung 48 in den Spalt 41 eingebracht,
die in diesem Zustand das Einspritzventils von außerhalb
des Injektorgehäuses 1 und
der Düsenspannmutter 18 frei
zugänglich
ist. Bevorzugt wird vor dem Einbringen des Füllmaterials 44 in
den Spalt 41 in dem Spalt ein Unterdruck erzeugt, vorzugsweise
nahezu ein Vakuum. Anschließend
wird dann der Spalt in dem dafür
vorgesehenen axialen Bereich mit dem Füllmaterial 44 befüllt. Durch das
Befüllen
im Unterdruck bzw. Vakuum kann einfach erreicht werden, dass der
Anteil an Gasen in dem Füllmaterial 44 sehr
gering ist. Grundsätzlich kann
das Füllmaterial
auch vor dem Befüllen
entgast werden, um zu Erreichen, dass der Anteil an Gasen in dem
Füllmaterial 44 sehr
gering ist. Dann muss jedoch sichergestellt werden, dass beim Befüllen keine neuen
Gasblasen eingebracht werden.
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Ferner
ist axial beabstandet zu der ersten Ausnehmung 48 eine
zweite Ausnehmung 50 vorgesehen, die geeignet ist zum Entlüften des
Spalts 41 während
des Befüllens
mit dem Füllmaterial 44.
Dadurch kann während
des Befüllvorgangs
sichergestellt werden, dass der axiale Bereich des Spalts 41, der
mit dem Füllmaterial 44 aufgefüllt werden
soll, sicher auch ohne entstehende Hohlräume vollständig befüllt wird. Nach Abschluss des
Befüllens
mit dem Füllmaterial
werden sowohl die erste Ausnehmung 48 als auch die zweite
Ausnehmung 50 mit je einem Dichtelement 52, 54 dichtend
verschlossen. Besonders geeignet hat sich dazu ein topfförmiges Element erwiesen,
das mit sei nem Topfboden hingewandt zu dem Spalt 41 in
die Ausnehmung 48 oder 50 eingebracht wird und
in dem anschließend
eine Kugel verstemmt wird und somit eine dichtende, sogar hochdruckfeste
Dichtung der jeweiligen Ausnehmung 48, 50 zu dem
Außenbereich
des Einspritzventils gewährleistet
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Einspritzventils (2) ist im wesentlichen der gesamte Spalt
entlang seiner gesamten axialen Erstreckung mit dem Füllmaterial 44 ausgefüllt. In
diesem Fall ist dann auch ein sehr guter thermischer Ausgleich zwischen
dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente und dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet.
In diesem Fall sollten die ersten und zweiten Ausnehmungen 48,50 zu
Befüllen
bzw. Entlüften
im Bereich der axialen Enden des Spaltes 41 ausgebildet
sein.
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Wenn
auch der axiale Bereich des Spaltes 41 mit dem Füllmaterial 44 ausgefüllt ist,
in dem sich der Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente
befindet, so muss gewährleistet
sein, dass die piezoelektrischen Elemente elektrisch von dem Injektorgehäuse 1 isoliert
sind. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet sein, dass der Stapel 34 piezoelektrische
Elemente mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht überzogen
ist. In diesem Fall muss dann aber gewährleistet sein, dass das Füllmaterial keine
derart chemisch aggressiven Eigenschaften hat, das die Schutzschicht
beschädigt
werden könnte.
Alternativ kann dann auf die Schutzschicht, die regelmäßig aus
Silikon besteht, auch mit einer weiteren Schutzhülle überzogen sein, die unempfindlich
ist gegenüber
entsprechend chemisch aggressiven Medien.
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Besonders
vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Füllmaterial ein Transformatoröl ist, das sich
durch eine hohe Wärme leitfähigkeit
auszeichnet und andererseits ein guter elektrischer Isolator ist.
In diesem Fall kann dann gegebenenfalls auch auf die Schutzschicht
des Stapels 34 der piezoelektrischen Elemente gänzlich verzichtet
werden.
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Selbstverständlich kann
der axiale Bereich des Spalts 41, der mit dem Füllmaterial
ausgefüllt
ist, einen beliebigen Bereich des Spalts 41 überdecken. So
ist es beispielsweise vorstellbar, dass das Füllmaterial 54 nur
entlang eines Bruchteils der axialen Erstreckung des Ausgleichselements 36 in
den Spalt 41 eingebracht ist. Ferner kann das Füllmaterial 44 auch aus
einem anderen Material ausgebildet sein, das geeignet ist, in den
Spalt 41 eingebracht zu werden und eine ausreichend hohe
Wärmeleitfähigkeit
hat. Vorteilhaft ist es, wenn das Füllmaterial 44 die
erforderliche Elastizität
aufweisen, um Längenausdehnungen
des Piezo-Aktuators 4 auszugleichen.