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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abdichtungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
DE 102 50 202 A1 ist
ein Aktor mit einer stirnseitigen Kopfplatte bekannt, die wenigstens
eine Durchführungsöffnung für einen
Kontaktpin aufweist. Auf den Kontaktpin ist ein Kontaktzungenträger mit einer
Kontaktzunge aufgeschoben. Um zu verhindern, dass beim Umspritzen
des Aktors oder dessen Kopfplatte Kunststoff zwischen einem Spalt
des Kontaktzungenträgers
und der Kopfplatte in die Durchführungsöffnung eindringen
kann, wird eine Dichtscheibe auf die offene Seite der Durchführungsöffnung der
Kopfplatte dichtend aufgesetzt.
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Aus
US 5,059,857 ist ein Piezoaktor
bekannt, auf dessen Stirnseite eine Kopfplatte aufgesetzt ist, die
sich piezoaktorseitig hülsenförmig erstreckt.
In dieser hülsenförmigen Erstreckung
sind Bohrungen zur Durchführung
der Kontaktstifte des Piezoelements ausgebildet. Weiterhin sind
in der hülsenförmigen Erstreckung
Innen- und Außengewinde zur
Befestigung der Kopfplatte am Piezoelement und im Injektorgehäuse ausgebildet.
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Aus
DE 44 12 277 A1 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem Kontaktstifte zum Erregen
der Magnetspule weitgehend von Kunststoff umspritzt sind. Im axialen Erstreckungsbereich
der Magnetspule ist wenigstens eine radial verlaufende Querbohrung
im Ventilgehäuse
eingebracht, die durch eine ringförmig das Ventilgehäuse umgebende
Membran überdeckt
ist. Die Membran ermöglicht
einen Druckausgleich, ohne dass die Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit
in den Ventilinnenraum besteht und unterbindet negative Kapillarströmungen.
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Eine
weitere derartige Anordnung ist beispielsweise aus der
DE 102 51 225 A1 bekannt.
Bei diesem Stand der Technik wird zur Schaffung einer dauerhaften,
insbesondere öldichten
Abdichtung zwischen einem Piezoaktor und einer Außenkontaktierung
vorgeschlagen, einen kraftstoffbeständigen Dichtring (O-Ring) in jede Öffnung einer
aufgesetzten Kopfplatte einzusetzen. In jeder Durchtrittsöffnung ist außerdem unterhalb
des Dichtrings eine Hülse
aus Isolationsmaterial eingesetzt, die eine Zentrierung und elektrische
Isolation des Anschlussstifts bewirkt.
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Nachteilig
ist bei dieser bekannten Piezoaktorkontaktierung, dass diese eine
vergleichsweise dicke Kopfplatte erfordert, um in deren Durchtrittsöffnungen
jeweils einen Dichtring und eine Zentrierhülse unterzubringen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abdichtungsanordnung
der eingangs erwähnten
Art so weiterzubilden, dass eine zuverlässige Abdichtung insbesondere
auch für
vergleichsweise dünne
Kopfplatten ermöglicht
wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Abdichtungsanordnung nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei
der erfindungsgemäßen Abdichtungsanordnung
ist vorgesehen, dass an Anschlussstiftabschnitten, die aus den Öffnungen
hervorstehen, ein aus einem flüssigkeitsdichtenden
Material gebildetes Dichtelement aufgesetzt ist, das einerseits
an Umfangsflächen
der Anschlussstiftabschnitte und andererseits an der Kopfanordnung
dichtend anliegt.
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Durch
die dichtende Anlage des Dichtelements sowohl an den Umfangsflächen der
Anschlussstiftabschnitte als auch an der Kopfanordnung wird eine
zuverlässige
Abdichtung ermöglicht. Diese
Abdichtung liegt außerhalb
des von den Durchtrittsöffnungen
begrenzten Bauraums, so dass unabhängig von diesem begrenzten
Bauraum der Durchtrittsöffnungen
eine erhöhte
konstruktive Gestaltungsfreiheit hinsichtlich des Dichtelements
gegeben ist und diese Abdichtung insbesondere auch für vergleichsweise
dünne Kopfplatten
geeignet ist.
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Das
Dichtelement kann im Hinblick auf eine optimale Abdichtung an den
Anschlussstiftabschnitten (Radialabdichtung) sowie an der Kopfanordnung (Axialabdichtung)
z. B. aus einem Elastomer gebildet sein. Beispielsweise kann das
Dichtelement aus Polyurethan, einem Elastomer des Typs "FKM" wie z. B. Viton
(Handelsname), einem Elastomer des Typs "NBR" etc.
gebildet sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Dichtelementmaterial elektrisch isolierend. Durch Wahl eines
elektrisch isolierenden Dichtelementmaterials sind keine besonderen
Vorkehrungen gegen eine unzureichende elektrische Isolierung der Anschlussstifte
in dem Fall zu treffen, in welchem die Kopfanordnung elektrisch
leitet. Letzteres ist in der Regel der Fall, da die Piezogehäuseanordnung
insgesamt und somit auch die Kopfanordnung üblicherweise aus metallischen
Werkstoffen hergestellt werden. Für den Fall, dass bei einer
elektrisch leitenden Kopfanordnung das Material des Dichtelements
nicht ausreichend elektrisch isoliert, kann vorgesehen sein, dass
zumindest in den Bereichen der Anlage des Dichtelements an der Kopfanordnung
die Kopfanordnung elektrisch isoliert ist, z. B. mit einer Isolationsschicht
bzw. einem Isolationsteil versehen ist. Diese Isolationsschicht
kann beispielsweise als Isolierscheibe ausgebildet sein, die sich
bis nahe zum Umfangsbereich der Kopfanordnung erstreckt und ebenfalls Öffnungen
zum Durchtritt der Anschlussstifte aufweist. Eine solche Isolierscheibe
kann vorteilhaft mit Hülsenfortsätzen versehen
sein (z. B. einteilig angeformt), die sich in die Öffnungen
der Kopfanordnung hinein erstrecken, um die Anschlussstifte dort
gegenüber
der Innenwandung dieser Öffnungen zu
isolieren.
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Eine
bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Abdichtungsanordnung ergibt
sich für
den Piezoaktor eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine,
bei welcher der Kraftstoffinjektor und wenigstens eine weitere Komponente
einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Wesentlichen vollständig innerhalb
einer Motorblockbaugruppe der Brennkraftmaschine angeordnet sind.
Damit ist insbesondere der Fall gemeint, in welchem Komponenten
der Einspritzeinrichtung innerhalb der Motorblockbaugruppe untergebracht
sind, die ohne Einschränkung
ihrer Funktion auch außerhalb
derselben angeordnet werden könnten.
Der Begriff "Motorblockbaugruppe" bezeichnet hierbei
die Gesamtheit der Motorschmieröl
enthaltenden Komponenten, also den "Motorblock" im engeren Sinne und Anbauteile (wie
z. B. einen Zylinderkopfdeckel etc.), in denen das Schmieröl gepumpt
wird oder schmiert oder (zurück)
geführt
wird. Bei einer solchen Motorkonstruktion besteht eine erhöhte Gefahr
eines Eintrags von schädlichen
Medien wie Öl
und/oder Kraftstoff in den Innenraum eines Injektorgehäuses. Diese
Problematik ergibt sich insbesondere für Common-Rail-Dieselmotoren
mit innerhalb des Zylinderkopfdeckels liegenden Einspritzkomponenten.
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Bei
internen betrieblichen Versuchen der Anmelderin hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass die Anordnung eines piezokeramischen Bauteils
wie des hier interessierenden Piezoaktors in einer "möglichst gasdichten" Piezogehäuseanordnung
in einer schädliche
Medien aufweisenden Installationsumgebung die Lebensdauer des Bauteils in
der Praxis nicht verlängert
sondern tendenziell sogar eher verkürzt.
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Demgegenüber kann
durch eine gewisse "Gasdurchlässigkeit" im Bereich der Abdichtungsanordnung
eine erhebliche Verlängerung
der Haltbarkeit bzw. Lebensdauer des Piezoaktors erzielt werden.
Eine mögliche
Erklärung
besteht darin, dass bei einem möglichst
gasdicht abgedichteten Piezogehäuse
unter bestimmten Betriebsbedingungen ein Unterdruck im Gehäuseinnenraum
entsteht (z. B. durch Temperaturschwankungen), durch welchen schädliche Medien
durch die in der Praxis nicht absolut hermetisch auszubildende Abdichtung
hindurch in den Gehäuseinnenraum
gelangen können.
Andere mögliche
Erklärungen
bestehen beispielsweise darin, dass sich nach der Fertigung eines
hermetisch abgeschlossenen Piezoantriebs die Konzentration irgendeines
die Lebensdauer verkürzenden
Gases im Innenraum des Piezoantriebs erhöht bzw. das eine der atmosphärischen
Luft ähnelnde
Füllung
des Gehäuseinnenraums
eine positive Wirkung auf die Lebensdauer der piezoelektrischen
Keramik besitzt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist daher vorgesehen, dass das Dichtelement aus einem Material mit
einer hohen Gaspermeabilität
gebildet ist. Insbesondere kann als Material ein Silikonwerkstoff,
insbesondere Fluorsilikonwerkstoff gewählt werden (z. B. Elastomere
des Typs "LSR" oder "FVMQ"). Letztere Werkstoffe
ermöglichen
auch bei einer vergleichsweise großen Dicke des Dichtelements
eine hohe Permeationsrate gegenüber
gasförmigen
Stoffen wie z. B. Luft. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft für die Haltbarkeit
bzw. Lebensdauer der piezoelektrischen Keramik des Piezoaktors.
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Aus
der Erkenntnis der Anmelderin, dass ein Gasaustausch zwischen dem
Aktorraum, in welchem der Piezoaktor eingeschlossen ist, und der
Installationsumgebung die Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors vorteilhaft
beeinflusst, ergibt sich für
ein vorgegebenes Dichtmaterial ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion
gegenüber
dem eingangs erwähnten
Stand der Technik gemäß der
DE 102 51 225 A1 .
Bei diesem Stand der Technik ist nämlich ein nennenswerter Gasdurchsatz
bereits deshalb erschwert, weil die Permeation des Dichtmaterials,
bedingt durch den eng begrenzten Bauraum der Durchtrittsöffnungen, über eine
vergleichsweise kleine Dichtmaterialoberfläche und einen vergleichsweise großen Weg
durch das Dichtelementmaterial hindurch erfolgen muss. Demgegenüber kann
bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
das Dichtelement mit einer wesentlich größeren Oberfläche vorgesehen
sein, was die Permeationsrate beträchtlich erhöht.
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Für die oben
erwähnte
Motorkonstruktion mit einer im Wesentlichen vollständig innerhalb
einer Motorblockbaugruppe untergebrachten Einspritzanlage hat es
sich hinsichtlich der Haltbarkeit bzw. Lebensdauer des Piezoaktors
außerdem
als nachteilig herausgestellt, wenn der Piezoaktor ohne "Luftzwischenräume" mehr oder weniger
gasdicht eingeschlossen ist. Vielmehr hat es sich bei einem Einschluss
eines Piezoaktors, der in einer "schädliche Medien" enthaltenden Installations umgebung
betrieben wird, als vorteilhaft herausgestellt, wenn innerhalb des
abgeschlossenen Aktorraums Kavitäten vorhanden
sind. Bei der erfindungsgemäßen Abdichtunganordnung
können
solche Kavitäten
innerhalb des abgedichteten Aktorraums besonders einfach bereitgestellt
oder vergrößert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Abdichtungsanordnung
können
vorteilhaft z. B. beträchtliche
Anteile des von den Öffnungen
der Kopfanordnung umgrenzten Volumens zusätzliche Kavitäten schaffen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Dichtelement mit elastischer Vorspannung
an den Umfangsflächen
der Anschlussstiftabschnitte anliegt. Dies lässt sich in einfacher Weise
dadurch realisieren, dass das Dichtelement aus elastischem Material
mit Öffnungen
zum Durchtritt der Anschlussstifte gebildet ist und jede Öffnungsquerschnittsfläche im entspannten
Zustand des Dichtelements kleiner als die Querschnittsfläche des
betreffenden Anschlussstiftabschnitts im Bereich der Radialabdichtung
ist.
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Eine
kompakte Gestaltung des Dichtelements ergibt sich beispielsweise
dann, wenn das Dichtelement insgesamt im Wesentlichen scheibenartig
ausgebildet ist, wobei zur Erzielung einer besonders zuverlässigen Radialabdichtung
auch Dichtelementabschnitte vorgesehen sein können, die sich aus der Scheibenebene
heraus in axialer Richtung an den Anschlussstiftabschnitten entlang
(diese umschließend)
erstrecken. Mit dieser Gestaltung lässt sich eine vergrößerte Radialabdichtungsfläche und/oder
eine vergrößerte, durch
elastische Vorspannung des Dichtelementmaterials bewirkte Radialabdichtungskraft
erzielen.
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In
einer besonders kompakten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die der Kopfanordnung zugewandte Stirnseite
des Dicht elements im Wesentlichen der Kontur der Kopfanordnung folgt.
Bevorzugt liegt das (z. B. einteilig scheibenartig ausgebildete) Dichtelement
wenigstens ringförmig
am Umfang der Kopfanordnung umlaufend dichtend an.
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In
an sich bekannter Weise kann die Kopfanordnung eine Kopfplatte umfassen,
in welcher die Öffnungen
der Kopfanordnung zum Durchtritt der Anschlussstifte vorgesehen
sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Piezoaktor in einem Aktorraum untergebracht, der von einem
hülsenartigen
Aktorgehäuse
sowie einer Kopfplatte und einer Bodenplatte gebildet ist, die zu
beiden Enden dieses Aktorgehäuses
angeordnet sind. Die Kopfplatte kann hierbei an einem axialen Ende
des Aktorgehäuses
eingesetzt und mit diesem verschweißt sein, wohingegen in diesem
Fall die Bodenplatte axial verschiebbar im Aktorgehäuse geführt ist.
Innerhalb eines solchen Aktorraums kann der Piezoaktor unter axialer
Druckvorspannung in einer axial langgestreckten Rohrfeder gehalten
sein, die zu ihren beiden Enden mit der Kopfplatte und der Bodenplatte
verschweißt
ist. Die Bodenplatte kann als Teil einer zu einem Betätigungsglied
eines Kraftstoffeinspritzventils hin wirkenden Wirkverbindung ausgebildet
sein. In diesem Bereich kann die Abdichtung des Aktorraums in an
sich bekannter Weise durch eine zwischen der Innenwandung des Aktorgehäuses und
der Bodenplatte eingeschweißten
Membran erfolgen.
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Um
eine zuverlässige
Axialabdichtung sicherzustellen, kann das Dichtelement beispielsweise wenigstens
in einem ringförmig
die Anschlussstifte umgebenden Bereich axial zur Kopfanordnung hin verpresst
sein, z. B. gegen das axiale Ende des oben erwähnten Aktorgehäuses.
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Eine
solche Verpressung im Bereich der Axialabdichtung kann beispielsweise
durch Ausübung axialen
Drucks von einer an einem Ende eines Injektorgehäuses angeordneten Kontaktbaugruppe
zum elektrischen Anschluss des Injektors vorgesehen sein. In einer
Ausführungsform
ist vorgesehen, dass eine solche Kontaktbaugruppe das Dichtelement
wenigstens abschnittsweise gegen die Kopfanordnung presst. Diese
somit gewissermaßen
zwischen der Kontaktbaugruppe und der Kopfanordnung eingeklemmten
Dichtelementabschnitte können
dann die Axialabdichtung bewerkstelligen.
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Die
Axialabdichtung kann in einfacher Weise bewerkstelligt werden durch
ein Einklemmen eines ringförmig
geschlossenen Dichtelementbereiches zwischen der Kontaktbaugruppe
und der Kopfanordnung. Das Anpressen des Dichtelements gegen die Kopfanordnung
erfolgt in gut definierter Weise, wenn die Kontaktbaugruppe hierfür mit einem
oder mehreren dem Dichtelement zugewandten Vorsprüngen versehen
ist, die bei der Montage des Kraftstoffinjektors zu der gewünschten
Verpressung der entsprechenden Dichtelementabschnitte führen.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die erwähnte
Kontaktbaugruppe im Wesentlichen vollflächig am Dichtelement anliegt
und somit besonders gleichmäßig axialen
Druck auf das Dichtelement ausübt.
Ein axialer Druck insbesondere auch im Bereich der zur Radialabdichtung
vorgesehenen Dichtmaterialabschnitte kann hierbei vorteilhaft diese
Radialabdichtung verbessern.
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Eine
einfache Montage der Kontaktbaugruppe, bei welcher die oben erläuterte Verpressung
des Dichtelements gewährleistet
werden kann, ergibt sich, wenn die Kontaktbaugruppe einen Umfangsbereich
der Kopfanordnung umgreift und an diesem Um fangsbereich durch eine
Formschlussverbindung gehalten ist. Diese Formschlussverbindung
kann insbesondere als Rastverbindung derart vorgesehen sein, dass
durch das Aufdrücken
der Kontaktbaugruppe deren Verrastung mit der Kopfanordnung erfolgt.
Die Rastverbindung kann z. B. ringförmig am Umfang verlaufend oder
auch durch eine Mehrzahl von über
den Umfang verteilten, separaten Rastbereichen vorgesehen sein.
Eine besonders dauerhafte und dichte Axialabdichtung ergibt sich,
wenn die Rastverbindung nachträglich
in einer finalen Kunststoffumspritzung fixiert wird. Die Schrumpfung
des Kunststoffmaterials erhöht
die Anpresskraft und damit die Klemmkraft des Dichtelements.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass eine mit Öffnungen
zum Durchtritt der Anschlussstifte versehene Isolierscheibe aus
elektrisch isolierendem Material zwischen dem Dichtelement und der
Kopfanordnung angeordnet ist.
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Das
vorteilhafte Aktorraumvolumen kann bereits durch das Vorhandensein
einer solchen Isolierscheibe vergrößert werden, indem mehr oder
weniger große
Spalte zwischen einer solchen Isolierscheibe und angrenzenden Bauteilen,
wie z. B. Kopfplatte und Dichtelement, vorgesehen werden. Solche Spalte
ergeben sich in der Praxis oftmals zwangsläufig.
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Die
Isolierscheibe kann ferner weitere Kavitäten schaffende Aussparungen
aufweisen. Solche Aussparungen können
auch zur Förderung
eines Gasaustausches zwischen den axial einander entgegengesetzten
Seiten der Isolierscheibe geeignet vorgesehen werden. Wenn zusätzlich über oder
unter der Isolierscheibe Kavitäten
vorhanden sind oder bereitgestellt werden, so schaffen durch die
Isolierscheibe hindurchgehende Aussparungen einen größeren zusammenhängenden
Kavitätsraum,
der sich vorteilhaft auf die Haltbarkeit des Piezoaktors auswirkt.
Die Isolierscheibe lässt
sich besonders wirtschaftlich z. B. aus Kunststoff als Spritzgussteil
herstellen und kann mittels in die Öffnungen der Kopfanordnung
ragender Hülsenfortsätze gleichzeitig
im Bereich der Kopfplatte isolieren. Mit einer solchen Isolierscheibe
ergibt sich eine vergrößerte Freiheit bei
der Wahl des Materials für
das Dichtelement, da der elektrische Strom gezwungen wird, einen "Umweg", je nach geometrischer
Gestaltung der Isolierscheibe, zu nehmen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es stellen dar:
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1 ist
eine Seitenansicht eines Piezoantriebs für ein Kraftstoffeinspritzventil,
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2 ist
eine Draufsicht des Piezoantriebs,
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3 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie III-III in 2 im oberen Endbereich des Piezoantriebs,
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4 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie IV-IV in 1 im oberen Endbereich des Piezoantriebs,
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5 ist
eine Explosionsansicht des Piezoantriebs, und
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6 ist
eine der 3 ähnliche Schnittansicht für einen
Piezoantrieb gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt
einen insgesamt mit 10 bezeichneten Piezoantrieb zur Betätigung des
Einspritzventils eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine.
Im installierten Zustand bildet der dargestellte Piezoantrieb 10 zusammen
mit dem in 1 unter dem Piezoantrieb 10 angeordneten,
jedoch in der Figur nicht dargestellten Einspritzventil den Kraftstoffinjektor.
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Hinsichtlich
des prinzipiellen Aufbaus des Kraftstoffinjektors sei lediglich
beispielhaft auf bekannte Kraftstoffinjektoren verwiesen, wie sie
in der
DE 199 56 256
B4 und der
DE
100 07 175 A1 beschrieben sind.
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Zum
elektrischen Anschluss des Kraftstoffinjektors ist derselbe an seinem
in 1 oberen Ende mit einer als Kunststoff-Formteil
ausgebildeten Kontaktbaugruppe 12 versehen, von welcher
eingeformte Kontaktzungen 14 seitliche abstehen. Diese
Kontaktzungen 14 bilden nach Aufbringung einer in 1 nicht
dargestellten finalen Kunststoffumspritzung die elektrischen Kontakte
eines Steckverbinders, dessen Gehäuse durch diese finale Umspritzung
geschaffen wird.
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Die
besser in der Draufsicht von 2 erkennbaren
Kontaktzungen 14 sind in unten noch beschriebener Weise
elektrisch mit einem in Inneren des Piezoantriebs 10 befindlichen
Piezoaktor 16 verbunden.
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Die 3 und 4 veranschaulichen
die für
den Piezoaktor 16 vorgesehene Abdichtungsanordnung am oberen
Ende des Piezoantriebs 10.
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In
an sich bekannter Weise umfasst der Piezoantrieb 10 den
im Wesentlichen aus einem Piezoelementstapel gebildeten, in einer
Axialrichtung A langgestreckten Piezoaktor 16, dessen axiale
Ausdehnung in gesteuerter Weise nach Anlegen einer Steuerspannung über metallische
Anschlussstifte 18 verändert
werden kann.
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Die
elektrische Weiterverbindung der Anschlussstifte
18 zu
den Kontaktzungen
14 ist mittels eines an die Enden der
Anschlussstifte
18 angeschweißten Kontaktzungenträgers (Kontaktbaugruppe
12)
realisiert. Zum prinzipiellen Aufbau eines solchen Kontaktzungenträgers sei
beispielhaft auf die
DE
198 44 743 C1 verwiesen.
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Ferner
erkennt man eine auf den Piezoaktor 16 aufgesetzte Kopfplatte 20,
die mit Öffnungen 22 zum
Durchtritt der Anschlussstifte 18 versehen ist, wobei in
einem Ringspalt zwischen den Anschlussstiften 18 und den Öffnungen 22 der
Kopfplatte 20 jeweils eine Isolierhülse 24 zur Zentrierung
und elektrischen Isolation der Anschlussstifte 18 gegenüber der Kopfplatte 20 eingefügt ist.
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Ferner
erkennt man ein hülsenförmiges Aktorgehäuse 26 und
eine darin befindliche Rohrfeder 28. Der Piezoaktor 16 ist
unter axialer Druckvorspannung in der Rohrfeder 28 gehalten.
Zu diesem Zweck ist die Rohrfeder 28 an ihrem unteren Ende
(nicht dargestellt) mit einer axial bewegbar im Aktorgehäuse 26 geführten Bodenplatte
verschweißt,
wohingegen das entgegengesetzte, obere Ende der Rohrfeder 28 am
Umfang der Kopfplatte 20 verschweißt ist.
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Die
aus dem Piezoaktor 16, der Kopfplatte 20, der
Rohrfeder 28 sowie der Bodenplatte gebildete Aktoreinheit
ist in dem hülsenförmigen Aktorgehäuse 22 eingesetzt.
Das in den 3 und 4 untere Ende
dieses Aktorgehäuses 26 ist
mittels einer Membran abgedichtet. Im Bereich dieser Membran ist
in an sich bekannter Weise eine Wirkverbindung zwischen dem Piezoantrieb 10 und
dem Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen, um die axiale Längenveränderung
des Piezoaktors 16 auf ein Betätigungsglied des Einspritzventils
zu übertragen.
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Die
Abdichtung des unter der Kopfplatte 20 befindlichen Aktorraums
gegenüber
dem Bereich der Kontaktbaugruppe 12, oder gleichbedeutend,
die Abdichtung des oberen Endes des hülsenförmigen Aktorgehäuses 22 ist
durch eine nachfolgend näher
beschriebene Abdichtungsanordnung bewerkstelligt.
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Die
Anschlussstifte 18 des Piezoaktors 16 treten durch
die in Form von axialen Bohrungen ausgebildeten Öffnungen 22 der Kopfplatte 20 nach oben
hindurch, so dass Anschlussstiftabschnitte 30 axial aus
den Öffnungen 22 hervorstehen.
Zur Abdichtung des Piezoaktors 16 ist an den Anschlussstiftabschnitten 30 eine
aus einem flüssigkeitsdichtenden
Elastomer gebildete Dichtscheibe 32 aufgesetzt, die einerseits
an Umfangsflächen
der Anschlussstiftabschnitte 30 und andererseits an der
aus der Kopfplatte 20 und dem oberen Ende des hülsenförmigen Aktorgehäuses 26 gebildeten
Kopfanordnung dichtend anliegt.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
diese dichtende Anlage zwischen der Dichtscheibe 32 und
der Kopfanordnung 20, 26 insbesondere ringförmig umlaufend
am oberen Ende des Aktorgehäuses 26 vorgesehen,
so dass dort eine "Axialabdichtung" realisiert ist.
In diesem Bereich besitzt das Aktorgehäuse 26 eine Ringnut 34,
in welche ein Umfangsrand 36 der Dichtscheibe 32 dichtend
eingreift. Dieser Eingriff in die Nut 34 erleichtert die
Montage und verhindert ein Verrutschen der Dichtscheibe 32 beim
Verpressen. Alternativ könnte
hierfür
auch eine andere Formgestaltung dieser Grenzfläche vorgesehen sein, etwa mit
wenigstens einem Absatz bzw. mit wenigs tens einem nicht-ebenen Grenzflächenbereich.
Alternativ oder zusätzlich
kann eine solche besondere Formgestaltung auch an der Grenzfläche zwischen
Dichtelement und Kontaktbaugruppe vorgesehen sein. Wenngleich für eine hinreichende
Axialabdichtung dieser ringförmig
die beiden Anschlussstifte 18 einschließende Umfangsrandbereich ausreichend
ist, so folgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die der Kopfanordnung 20, 26 zugewandte
Stirnseite der Dichtscheibe 32 im Wesentlichen der Kontur
der Kopfanordnung 20, 26.
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Im
Gegensatz zu der als Axialabdichtung bezeichneten Abdichtung zwischen
der Dichtscheibe 32 und der Kopfanordnung 20, 26 wird
die Abdichtung zwischen der Dichtscheibe 32 und den Anschlussstiften 18 (im
Bereich der Anschlussstiftabschnitte 30) nachfolgend auch
als "Radialabdichtung" bezeichnet.
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Im
Bereich des Durchtritts der Anschlussstifte 18 besitzt
die Dichtscheibe 32 axial entlang der Umfangsflächen der
Anschlussstiftabschnitte sich erstreckende Materialabschnitte, an
deren oberen Enden jeweils eine der beiden Radialabdichtungen vorgesehen
ist. Diese Radialabdichtungen werden jeweils durch eine elastische
Vorspannung des Dichtscheibenmaterials in diesem Abschnitt gewährleistet. Demgegenüber wird
eine gute Axialabdichtung durch eine nachfolgend beschriebene Axialverpressung der
Dichtscheibe 32 hin zur Kopfanordnung 20, 26 bewerkstelligt.
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Das
Kunststoffmaterial der Kontaktbaugruppe 12 drückt mit
seiner Unterseite auf die Elastomerdichtscheibe 32, so
dass diese gegen die Kopfanordnung 20, 26 gepresst
wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
bewirkt diese Verpressung ein flüssigkeitsdichtes
Anliegen des Umfangsrands 36 in der Ringnut 34.
Die abdichtende Wirkung wird auf Grund der Elas tizität des verwendeten
Dichtmaterials dauerhaft gewährleistet.
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Die
Kontaktbaugruppe 12 umgreift einen mit einer konischen
Anlauffläche
versehenen Umfangsbereich des Aktorgehäuses 26 und wird nach
dem Aufdrücken
durch eine in diesem Bereich vorgesehene Rastverbindung 38 gehalten.
In diesem in den Figuren dargestellten, montierten Zustand greift
ein radial nach innen abstehender Vorsprung 40 in eine
unter der konischen Anlauffläche
angeordnete Umfangsnut 42 des Aktorgehäuses 26. Dieses kann
wie dargestellt mit umlaufender Verrastung vorgesehen sein oder
durch einzelne Rasten über
den Umfang verteilt.
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Das
Elastomermaterial der Dichtscheibe 32 ist hinsichtlich
einer möglichst
guten Flüssigkeitsabdichtung
gewählt,
besitzt jedoch auch eine hohe Gasdurchlässigkeit.
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Die
Dichtscheibe 32 kann beispielsweise aus einem Fluorsilikonwerkstoff
mit vergleichsweise hoher Gaspermeabilität gebildet sein, so dass durch
die Anlage an den Anschlussstiftabschnitten 30 (Radialabdichtung)
und an dem Aktorgehäuse 26 (Axialabdichtung)
eine gute Flüssigkeitsabdichtung
des Aktorraums gegenüber
einem Kontaktierungsbereich (Kontaktbaugruppe) geschaffen wird,
wobei jedoch eine vergleichsweise hohe Permeationsrate für gasförmige Medien
ermöglicht
wird.
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Somit
kann eine große
Permeationsrate von "flüchtigen
Stoffen" aus dem
Aktorraum heraus und von Sauerstoff in den Aktorraum hinein erreicht
oder gefördert
werden. Die mehr oder weniger große Gasdurchlässigkeit
des verwendeten Dichtmaterials kann zur weiteren Erhöhung dieser
Permeationsrate gezielt ausgewählt
werden.
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Außerdem besitzt
das Dichtscheibenmaterial auch eine möglichst geringe elektrische
Leitfähigkeit, um
die Anschlussstifte 18 gegenüber der Kopfanordnung 20, 26 und
somit auch gegeneinander zu isolieren. Zur Verbesserung des elektrischen
Isolationswiderstands kommt es in Betracht, eine aus elektrisch isolierendem
Material gebildete Isolierscheibe zwischen der Elastomerdichtscheibe 32 und
der metallischen Kopfplatte 20 zwischenzufügen und
somit die der Kopfplatte 20 zugewandte Stirnseite der Dichtscheibe 32 gewissermaßen "von der Kopfanordnung fern
zu halten". Damit
können
vergleichsweise kurze elektrische Pfade von der Umfangsfläche eines
der Anschlussstifte 18 durch das Elastomermaterial hindurch
zur Kopfanordnung 20, 26 beseitigt werden. Darüber hinaus
kann mit einer solchen Isolierscheibe vorteilhaft das effektive
Aktorraumvolumen vergrößert werden.
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5 veranschaulicht
in einer perspektivischen Darstellung nochmals den Aufbau des beschriebenen
Piezoaktors 10.
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Bei
der Montage des Piezoantriebs 10 wird die Dichtscheibe 32 an
den aus den Öffnungen 22 hervorstehenden
Abschnitten der Anschlussstifte 18 aufgesetzt. Sodann wird
durch Aufdrücken
und Einrasten der Kontaktbaugruppe 12 die Verpressung der Dichtscheibe 32 bewerkstelligt.
Sodann erfolgt eine Verschweißung
der Anschlussstiftenden an hierfür vorgesehenen
metallischen Schweißlaschen 44 der Kontaktbaugruppe 12.
Schließlich
erfolgt dann noch eine finale Ummantelung des oberen Endes des Piezoantriebs 10.
Diese in den 1 bis 5 nicht dargestellte
Ummantelung kann z. B. wenigstens teilweise als Kunststoffanspritzung
vorgesehen sein. Eine solche Ummantelung besitzt dann insbesondere
den Vorteil, dass die Rastverbindung zwischen dem Aktorgehäuse 26 und
der Kontakt baugruppe 12 gesichert wird. Bei einer Umspritzung
ergibt sich außerdem
der Vorteil einer Verbesserung der Verrastung und Verpressung durch
ein Schwinden des Umspritzungsmaterials.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für analoge Komponenten
die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur
Unterscheidung der Ausführungsform.
Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw.
den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich auf
die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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6 ist
eine dem linken Teil der 3 entsprechende Schnittansicht
im Bereich der Abdichtungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Wie
bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist wieder eine
Dichtscheibe 32a an hervorstehenden Anschlussstiftabschnitten 30a aufgesetzt
und sorgt für
eine Axialabdichtung sowie eine Radialabdichtung. Auch wird diese
Dichtscheibe 32a im Bereich eines ringförmigen, in Axialrichtung A nach
unten hervorstehenden Vorsprungs 50a einer Kontaktbaugruppe 12a gegen
die Oberseite der Dichtscheibe 32a gedrückt, so dass der belastete Dichtelementabschnitt
zuverlässig
in eine Ringnut 34a eines Aktorgehäuses 26a gedrückt wird.
Der Großteil
der der Kontaktbaugruppe 12a zugewandten Stirnseite der
Dichtscheibe 32a liegt jedoch zur Schaffung einer besonders
effizienten "Belüftung" der Dichtscheibe 32a frei.
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Zur
Förderung
eines Gasaustausches zwischen der Außenseite der Injektorgehäuseanordnung
und der Außenseite
der Dicht scheibe 32a ist wenigstens eine Gasaustauschöffnung 52a an
der Kontaktbaugruppe 12a sowie wenigstens eine weitere
Gasaustauschöffnung 54a in
einer äußeren Kunststoffumhüllung (z.
B. aus Polyamid) vorgesehen. Es hat sich herausgestellt, dass mit
einer solchen Belüftungsanordnung
der Gasaustausch weiter gefördert werden
kann und somit die Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors tendenziell
noch weiter verlängert
werden kann.
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Die
Gasaustauschöffnung 52a fördert einen Gasaustausch
zwischen der Unterseite und der Oberseite eines Korpus der Kontaktbaugruppe 12a.
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Von
der äußeren Kunststoffumhüllung ist
in 6 zunächst
eine finale Kunststoffumspritzung 56a ersichtlich, die
im Umfangsbereich des Aktorgehäuses 26a angeformt
wurde. Sodann wurde diese äußere Umhüllungskomponente
durch einen Kunststoffdeckel 58a vervollständigt, der
im dargestellten Ausführungsbeispiel
mit der zuvor aufgebrachten Umspritzung 56a durch eine
Ultraschallverschweißung verbunden wurde. Diese zweiteilige Ausführung des
oberen Bereichs einer Injektorgehäuseanordnung besitzt den Vorteil,
dass die Gasaustauschöffnung 54a in
einfacher Weise als verbleibender Spalt zwischen diesen beiden Umhüllungskomponenten
ausgebildet werden kann, wie dies in 6 veranschaulicht
ist.
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Damit
wird ein die Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors 10a vorteilhafter
Gasaustausch zwischen dem Aktorraum und der Installationsumgebung
des Kraftstoffinjektors geschaffen.
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Bei
dieser Belüftungsanordnung
kann die Anzahl und Anordnung der Gasaustauschöffnungen 52a, 54a entsprechenden
den konstruktiven Gegebenheiten variiert werden.
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Abweichend
vom dargestellten Ausführungsbeispiel
ist es denkbar, eine wie bei herkömmlichen Kraftstoffinjektoren übliche einteilige
finale Kunststoffumspritzung vorzusehen, die jedoch zur Schaffung wenigstens
einer Gasaustauschöffnung
nachträglich perforiert
(z. B. durchbohrt) wird. Für
eine größere Gestaltungsfreiheit
hinsichtlich der Form der Gasaustauschöffnung eignet sich jedoch besser
eine mehrteilige Ausführung
wie dargestellt.
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Auf
Grund des Vorsehens von Gasaustauschöffnungen im Bereich der Injektorgehäuseanordnung
kann ein Injektorgehäuse
vorteilhaft durch die bereits gut etablierte Methode einer Kunststoffumspritzung
und/oder einem Verguss aus Epoxydharz weiter verwendet werden. Die
Gasaustauschfähigkeit
dieser äußeren Umhüllung ist
unabhängig
von deren Material und wird durch die Gasaustauschöffnungen
bereits sichergestellt. Die Anzahl und Anordnung derartiger Gasaustauschöffnungen
der Injektorgehäuseanordnung
wie auch etwaiger Gasaustauschöffnungen
einer gegebenenfalls separat im Innenraum der Injektorgehäuseanordnung
untergebrachten Kontaktbaugruppe kann den konstruktiven Erfordernissen
nach variiert werden.
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Sowohl
für die äußere Umhüllung als
auch für
eine Kontaktbaugruppe können
vorteilhaft die Materialien sehr frei gewählt werden, da der Gasaustausch
durch die Gasaustauschöffnungen
bereitgestellt bzw. gefördert
wird. Es ergibt sich eine gute Belüftung des Dichtelements und
damit eine Steigerung der Dauerhaltbarkeit des abgedichteten Piezoaktors.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
einer Abdichtungsanordnung eines Piezoaktors eignen sich insbesondere
z. B. für
einen im Zylinderkopf eines Motors integrierten Dieselinjektor eines
Common-Rail-Systems, bei welchem die sich an die An schlussstifte
anschließende
elektrische Weiterverbindung ebenfalls innerhalb des Zylinderkopfes
untergebracht ist. Die beschriebenen Dichtungsanordnungen wirken
effektiv gegen einen schädlichen
Einfluss in dieser besonderen Installationsumgebung. Die erfindungsgemäße Anordnung
ist insbesondere auch für
Injektoren geeignet, bei denen es keine steckerseitige Abdichtung
(an der Kontaktbaugruppe) gibt.