Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stellantrieb
der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Lebensdauer zu verbessern.
Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einem Stellantrieb nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß der Erfindung
ist ein Stellantrieb zur Betätigung
eines Kraftstoffeinspritzventils, umfassend einen Piezoaktor, der
in einer Aktorgehäuseanordnung
eingeschlossen ist, die eine mit Durchtrittsöffnungen zum Durchtritt von
Kontaktstiften des Piezoaktors versehene Kopfplatte aufweist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kopfplatte ferner mit einer Belüftungsöffnung versehen
ist, in welcher ein aus mikroporösem
Material gebildetes Belüftungselement
angeordnet ist.
Bei
internen betrieblichen Versuchen der Anmelderin hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass die Anordnung eines piezokeramischen Bauteils
wie dem hier interessierenden Piezoaktor in einem "möglichst hermetisch" abgedichteten Gehäuse in einer
schädliche
Medien aufweisenden Installationsumgebung die Lebensdauer des Bauteils
in der Praxis nicht verlängert
sondern tendenziell sogar eher verkürzt.
Demgegenüber führt die
erfindungsgemäße Schaffung
einer Belüftung
zu einer erheblichen Verlängerung
der Lebensdauer.
Der
Wirkmechanismus der Erfindung ist nicht ganz klar. Eine mögliche Erklärung besteht
darin, dass bei einem möglichst
hermetisch abgedichteten Gehäuse
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 Stellantriebs die Konzentration irgendeines
die Lebensdauer verkürzenden
Gases im Gehäuseinnenraum
erhöht
bzw. dass eine der atmosphärischen
Luft ähnelnde
Füllung
des Gehäuseinnenraums
eine positive Wirkung auf die Lebensdauer besitzt.
Bei
dem erfindungsgemäßen Stellantrieb können die
Durchtrittsöffnungen
der Kopfplatte für die
Kontaktstifte in her kömmlicher
Weise abgedichtet sein, etwa wie in der oben erwähnten
DE 102 51 225 A1 beschrieben.
Eine Belüftung
des Aktorraums unterhalb der Kopfplatte wird bei der Erfindung durch die
mehr oder weniger große
Gaspermeabilität
des mikroporösen
Materials sichergestellt. Die Kopfplatte besitzt somit vorteilhaft
eine weitere Funktionalität, nämlich zur
Gewährleistung
einer Belüftung
des Piezoaktors, insbesondere um flüchtige Stoffe aus dem Aktorraum
heraus und Sauerstoff in den Aktorraum hinein strömen bzw.
diffundieren zu lassen. Mit der Erfindung kann der Sauerstoffgehalt
im Aktorraum auch im Betrieb eines mit dem Stellantrieb versehenen
Kraftstoffinjektors aufrechterhalten werden, ohne dass gleichzeitig
flüssige
Medien in den Aktorraum eindringen können. Letztere Gefahr besteht
insbesondere, wenn der Kraftstoffinjektor in einer motorölhaltigen
Umgebung (z.B. innerhalb eines Zylinderkopfes) betrieben wird.
In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Aktorgehäuseanordnung einen hülsenförmigen,
in einer Axialrichtung lang gestreckten Gehäuseabschnitt aufweist, in welchem
angeordnet ist:
- – die in Axialrichtung festgelegte
Kopfplatte, an welcher sich ein erstes Ende des Piezoaktors axial
abstützt,
- – der
in Axialrichtung wirkende Piezoaktor, und
- – eine
in Axialrichtung bewegbar geführte
Bodenplatte, an welcher sich ein zweites Ende des Piezoaktors axial
abstützt
und welche in Wirkverbindung mit einem Stellglied des Kraftstoffeinspritzventils
bringbar ist.
Die
Kopfplatte kann hierbei an einem axialen Ende des hülsenförmigen Gehäuseabschnitts
eingesetzt und mit diesem verschweißt oder verstemmt sein. Innerhalb
des Aktorraums zwischen der Kopfplatte und der Bodenplatte kann
der Piezoaktor unter axialer Druckvorspannung z.B. in einer axial
lang gestreckten Rohrfeder gehalten sein, die zu ihren beiden Enden
mit der Kopfplatte und der Bodenplatte verschweißt ist. Die Bodenplatte kann
als Teil einer zu einem Stellglied des 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 hülsenförmigen Gehäuseabschnitts und der Bodenplatte
eingeschweißte
Membran erfolgen.
Bevorzugt
ist ein kopfplattenseitiges Ende der Aktorgehäuseanordnung mit einer Kunststoffumspritzung
ummantelt. Mit einer solchen an sich bekannten Kunststoffumspritzung
kann beispielsweise das Gehäuse
eines zum elektrischen Anschluss des Stellantriebs verwendbaren
Steckverbinders bereitgestellt werden.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Kunststoffumspritzung wenigstens einen Belüftungskanal
auf, der von der Außenseite
der Kopfplatte zur Atmosphäre
(Außenseite
der Kunststoffumspritzung) führt.
Damit wird eine sehr effiziente Weiterführung der durch die Belüftungsöffnung bzw.
das Belüftungselement
geschaffenen Belüftungspassage nach
außen
hin bereitgestellt. Der oder die Belüftungskanäle in der Kunststoffumspritzung
können beispielsweise
als Aussparungen während
des Umspritzungsvorganges und/oder als nachträglich vorgenommene Bohrungen
realisiert sein.
Ferner
ist es bevorzugt, wenn die Kunststoffumspritzung das Belüftungselement
in der Belüftungsöffnung verpresst.
Eine solche Verpressung kann vorteilhaft dazu beitragen, das Belüftungselement
umlaufend möglichst
gasdicht mit dem Innenumfang der Belüftungsöffnung zu verbinden. Wenngleich
es nicht ausgeschlossen sein soll, das Belüftungselement direkt durch
das Umspritzungsmaterial selbst zu verpressen, so ist in einer bevorzugten
Ausführungsform
vorgesehen, dass zumindest im Bereich der Belüftungsöffnung ein Einlegeteil an der Kopfplatte
aufliegt, bevor die Kunststoffumspritzung erfolgt. Zur einfacheren
Positionierung eines solchen Einlegeteils ist es von Vorteil, wenn
die Kopfplatte auf ihrer Außenseite
wenigstens eine Aussparung aufweist, in welche ein korrespondierender
Vorsprung eines Einlegeteils eingreift. Das Einlegeteil kann beispielsweise
durch eine so genannte Kontaktbaugruppe bereitgestellt werden, wie
sie üblicherweise
zur elektrischen Kontaktierung der Kontaktstifte des Piezoaktors
zu einem Steckverbinder hin verwendet wird. Derartige Kontaktbaugruppen
sind beispielsweise in der
DE
198 44 743 C1 und der
DE 199 40 347 A1 beschrieben.
Bevorzugt
ist das Belüftungselement
aus ePTFE (expandiertes Polytetrafluorethylen) gebildet. Dieses
Material hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, um damit "schädliche Medien" wie Kraftstoff (Diesel,
Benzin, etc.) oder Schmierstoffe (z.B. Motoröl) am Eindringen in den Aktorraum
zu hindern und gleichzeitig flüchtige
Stoffe aus dem Aktorraum heraus und Luft bzw. Sauerstoff in den
Aktorraum hinein diffundieren zu lassen. Andere hier verwendbare
mikroporöse
Materialien sind dem Fachmann wohlbekannt und bedürfen daher
keiner weiteren Erläuterung.
Das
Belüftungselement
kann z.B. im Wesentlichen scheibenförmig (z.B. als Membran) ausgebildet
sein. Eine derartige Belüftungsscheibe
bzw. -Membran kann beispielsweise durch eine ringsherum abdichtende
Presspassung in die Belüftungsöffnung eingefügt sein.
Alternativ kann das Belüftungselement
ringförmig
umlaufend mit einem hülsenförmigen Belüftungselementträger verbunden
sein, dessen Außenumfang
dichtend am Innenumfang der Belüftungsöffnung anliegt.
Ein solcher Belüftungselementträger besitzt
zum einen den Vorteil, dass damit eine ansonsten bestehende mechanische
Belastung des Belüftungselements
vermieden oder vermindert werden kann. Zum anderen kann über einen
solchen Träger
eine besser dichtende Anbindung des Belüftungselements am Innenumfang
der Belüftungsöffnung realisiert
werden, etwa indem dieser Träger
aus einem gut dichtenden Material gebildet wird (z.B. als Kunststoffhülse bzw.
O-Ring). Zur besseren Abdichtung gegen den Innenumfang der Belüftungsöffnung kann
der Träger
mit einer oder mehreren am Außenumfang
umlaufenden Dichtlippen versehen sein.
Das
Belüftungselement
kann an seinem Umfang mit dem angrenzenden Material des Trägers verschweißt sein
(z.B. mittels Ultraschallverschweißung, Laserverschweißung, etc.).
Auch eine Verklebung ist denkbar. Bevorzugt ist das Belüftungselement
an einer Stirnseite des hülsenförmigen Belüftungselementträgers mit
demselben verbunden.
In
einer Ausführungsform
besitzt die Belüftungsöffnung über deren
Länge betrachtet
eine variierende Öffnungsfläche, also
beispielsweise eine Verjüngung
und/oder eine oder mehrere Stufen. Diese Formgestaltung der Belüftungsöffnung ist
insbesondere von Vorteil für
die Montage bzw. Verpressung des Belüftungselements bzw. eines Verbunds aus
dem Belüftungselement
und einem Belüftungselementträger.
Beispielsweise
kann die Belüftungsöffnung als
Stufenbohrung ausgebildet sein, insbesondere mit einem vergleichsweise
großen
Durchmesser auf der dem Piezoaktor abgewandten Seite und einem vergleichsweise
kleinen Durchmesser auf der dem Piezoaktor zugewandten Seite der
Bohrung. Der Bohrungsbereich mit dem größeren Durchmesser kann dann
als Aufnahme für
das Belüftungselement (mit
oder ohne Träger)
dienen, der vorteilhaft für
die oben bereits erwähnte
Verpressung beim Umspritzungsvorgang zugänglich ist. Wenn das Belüftungselement
bzw. der Belüftungselementträger mit
einer radialen Presspassung in die Belüftungsöffnung der Kopfplatte eingesetzt
wird, so kann dieser Montageschritt durch Vorsehen einer Einführschräge am betreffenden
Ende der Belüftungsöffnung vereinfacht werden.
Eine
bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Stellantriebs ergibt sich
für den
Piezoaktors 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 Motorschmieröle 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 bzw. in den Aktorraum.
Diese Problematik ergibt sich z.B. insbesondere für Dieselmotoren
mit Speichereinspritzsystem (z.B. "common rail") mit innerhalb des Zylinderkopfdeckels
liegenden Einspritzkomponenten. Eine ähnliche Problematik, nämlich die
Gefahr eines Eintrags von Wasser, ergibt sich auch bei einer außerhalb
einer Motorblockbaugruppe angeordneten Einspritzeinrichtung, z.B. bei
Geländefahrzeugen,
deren Motor kurzfristig teilweise oder ganz unter Wasser betrieben
werden muss.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es stellen dar:
1 ist
eine axial längs
Schnittansicht eines Stellantriebs,
2 ist
eine perspektivische Ansicht einiger Komponenten des Stellantriebs,
und
3 ist
eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines oberen
Endbereichs des Stellantriebs.
1 zeigt
einen insgesamt mit 10 bezeichneten Stellantrieb zur Betätigung eines
(nicht dargestellten) Kraftstoffeinspritzventils, welches zusammen
mit dem Stellantrieb einen Kraftstoffinjektor für eine Brennkraftmaschine bildet,
beispielsweise den Injektor einen Dieseleinspritzsystems.
Der
Stellantrieb 10 umfasst einen Piezoaktor 12, der
in einer Aktorgehäuseanordnung
eingeschlossen ist, die eine mit Durch trittsöffnungen 14 (2)
zum Durchtritt von Kontaktstiften 16 des Piezoaktors 12 versehene
Kopfplatte 18 aufweist und die obere Begrenzung eines den
Piezoaktor 12 beherbergenden Aktorraums bildet.
Die
Aktorgehäuseanordnung
umfasst des Weiteren einen hülsenförmigen,
in einer Axialrichtung A lang gestreckten Gehäuseabschnitt 20, an dessen
oberen Ende die Kopfplatte 18 eingesetzt und zur axialen
Fixierung verschweißt
ist. Das untere Ende der Aktorgehäuseanordnung wird schließlich von
einer in Axialrichtung A bewegbar im Gehäuseabschnitt 20 geführten Bodenplatte 22 gebildet,
die gegenüber
einer Innenwandung des hülsenförmigen Gehäuseabschnitts 20 mittels
einer eingeschweißten Membran 24 abgedichtet
ist.
Im
Betrieb stützt
sich der in Axialrichtung A wirkende Piezoaktor 12 mit
seinem oberen Ende axial an der Kopfplatte 18 ab, wohingegen
das untere Ende des Piezoaktors 12 sich an der Bodenplatte 22 abstützt, die
in eine mechanische Wirkverbindung mit einem Stellglied des nicht
dargestellten Kraftstoffeinspritzventils bringbar ist, um das Öffnen und
Schließen
des Einspritzventils zu bewirken. In 1 erkennt
man ferner eine Rohrfeder 26, die zu beiden Enden mit der
Kopfplatte 18 bzw. der Bodenplatte 22 verschweißt ist und
den darin aufgenommenen Piezoaktor 12 auf Druck vorbelastet.
Neben
den in 2 ersichtlichen Durchtrittsöffnungen 14 für die Kontaktstifte 16 des
Piezoaktors 12 ist die Kopfplatte 18 mit einer
Belüftungsöffnung 28 versehen,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Stufenbohrung mit einem großen
Bohrungsdurchmesser an der Oberseite und einem kleinen Bohrungsdurchmesser
der Unterseite der Kopfplatte 18 ausgeführt ist.
Der
obere Bereich dieser Belüftungsöffnung 28 bildet
einen Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Verbunds aus einer ePTFE-Membran 30 und
einem Membranträger 32.
Die ePTFE-Membran 30 ist an der oberen Stirnseite des aus
Kunststoff als O-Ring ausgebildeten Membranträgers 32 aufgeschweißt und als
Verbund zusammen mit dem Membranträger 32 von oben in
die Belüftungsöffnung 28 eingesetzt. Dies
mit einer radialen Presspassung zwischen dem Außenumfang des Membranträgers 32 und
dem Innenumfang der Belüftungsöffnung 28.
Zur Erleichterung der Montage der ePTFE-Membran 30 ist
das obere Ende der Belüftungsöffnung 28 mit
einer Einführschräge 34 versehen,
die am besten aus 2 ersichtlich ist.
In 2 erkennt
man ferner in die Durchtrittsöffnung 14 der
Kopfplatte 18 eingesetzte Dichtringe 36 zur Abdichtung
und elektrischen Isolation der Kontaktstifte 16 gegenüber der
aus Metall gebildeten Kopfplatte 18.
Das
mikroporöse
Material der ePTFE-Membran 30 gestattet einen Druckausgleich
bzw. Gasaustausch zwischen dem Aktorraum unterhalb der Kopfplatte 18 und
der Installationsumgebung des Stellantriebs 10. Es hat
sich herausgestellt, dass durch Vorsehen der Belüftungsöffnung 28 mit dem
darin integrierten mikroporösen
Material die Lebensdauer bzw. Dauerhaltbarkeit des Piezoaktors 12 beträchtlich
verlängert
werden kann.
An
dieser vorteilhaften Wirkung ändert
auch der Umstand nichts, dass das obere Ende der Aktorgehäuseanordnung
mit einer Kunststoffumspritzung 38 ummantelt ist, da eine
solche Kunststoffumspritzung in der Regel keinen absolut gasdichten
Einschluss schafft. Vielmehr wird in der Praxis die durch das Belüftungselement 30 geschaffene
Belüftungspassage
in der Praxis durch mehr oder weniger feine Spalte und Undichtigkei ten
an Übergangsbereichen zwischen
dem Kunststoffmaterial und den damit ummantelten Stellantriebskomponenten
zur Außenseite dieser
Ummantelung 38 hin fortgesetzt.
Vor
dem Umspritzungsvorgang wurde bei dem dargestellten Stellantrieb 10 eine
so genannte Kontaktbaugruppe 40 am oberen Ende der Aktorgehäuseanordnung
aufgesetzt. Diese Kontaktbaugruppe 40 besteht im Wesentlichen
aus einem Kunststoffkorpus sowie einer darin eingeformten Leitungsanordnung,
die ausgehend von mit den oberen Enden der Kontaktstifte 16 zu
verschweißenden
Schweißlaschen
zu Anschlussstiften 42 führt, mittels derer der Stellantrieb 10 bzw.
der Kraftstoffinjektor mit einer externen Leitungsanordnung (z.B.
Kabelbaum in einem Kraftfahrzeug) verbunden werden kann. Ein in 1 rechter
Abschnitt der Kunststoffumspritzung 38 bildet ein die Anschlussstifte 42 umgebendes
Steckergehäuse 44.
Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird
der Verbund aus der ePTFE-Membran 30 und dem Membranträger 32 durch
die Kunststoffumspritzung 38 in der Belüftungsöffnung 28 verpresst.
Diese Verpressung gewährleistet
eine verstärkte
Anlage des Membranträgers 32 an
dem Innenumfang der Belüftungsöffnung 28 und
somit eine gute Abdichtung an dieser Grenzfläche. An der Oberseite der Kopfplatte 18,
insbesondere im Bereich des Belüftungselements 30 liegen
Abschnitte des Kunststoffkorpus der Kontaktbaugruppe 40 auf,
auf die während
des Umspritzungsvorganges axialer Druck ausgeübt wird, sei es der Druck des
Kunststoffmaterials selbst oder ein durch Niederhalter erzeugter
Druck. Ein Vorteil der Verwendung eines Niederhalters während des
Umspritzungsprozesses besteht darin, dass damit ein vergleichsweise
hoher Verpressungsdruck ausgeübt
werden kann, der nach dem Erstarren des Umspritzungsmaterials dauerhaft
verbleibt. Zur einfachen Positionierung der Kontaktbaugruppe 40 vor dem
Umspritzungsvorgang ist diese mit einem axialen Vorsprung 46 zum
Eingriff in eine axiale Aussparung 48 der Kopfplatte 18 versehen.
Zur
Erhöhung
der Belüftungseffizienz
weist die Kunststoffumspritzung 38 mehrere von der Außenseite
der Kopfplatte 18 bzw. der Außenseite des Belüftungselements 30 zur
Außenseite
der Kunststoffumspritzung 38 führende Belüftungskanäle auf, von denen in 1 und 3 jeweils
einer ersichtlich und mit 50 gekennzeichnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Belüftungskanäle 50 teilweise
durch nach dem Umspritzungsprozess vorgenommene Bohrungen realisiert.
Diese Bohrungen verlaufen hierbei in einer Richtung, die nach Installation
des Stellantriebs ein Ablaufen von etwaig eingedrungener Flüssigkeit
(z.B. Motoröl,
Wasser etc.) aus dem Stellantrieb heraus ermöglicht. Dies besitzt den Vorteil,
dass die ePTFE-Membran 30 nicht dauerhaft mit solchen flüssigen Medien
benetzt bleibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ablaufbohrungen
nur in einem dem Steckergehäuse 44 entgegengesetzten
Umfangsbereich des Stellantriebs 10 vorgesehen, der im
installierten Zustand des Stellantriebs 10 nach unten geneigt
liegt. Hierbei ist es zweckmäßig, die
Ablaufbohrungen wie dargestellt etwa orthogonal zur Axialrichtung
A vorzunehmen.
Die
Integration des Belüftungselements 30 in Form
einer mikroporösen
Membran auf einem O-Ring in einer zusätzlichen Öffnung der Kopfplatte 18 bedeutet
keinen nennenswerten Mehraufwand bei der Montage des Stellantriebs 10.
In einfacher Weise kann die Kopfplatte 18 vor deren Einbau
mit dem vorgefertigten Verbund aus dem Belüftungselement 30 und
dem Träger 32 versehen
werden.