DE102005011366A1 - Piezoelectric actuator for internal combustion engine fuel injector has casing made of material with defined level of heat conductivity - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht von einer piezoelektrischen Aktoreinheit mit einem Aktormodul nach der Gattung des Anspruchs 1 aus, das in einer mit einer Vergussmasse gefüllten Kunststoffhülse angeordnet ist. Das Aktormodul ist mit zwei Kontaktierungspins elektrisch verbunden und wird von einer Rohrfeder ummantelt. Des Weiteren ist das Aktormodul mit einer Kopfplatte und mit einer Bodenplatte verbunden, die das obere beziehungsweise das untere Ende der Rohrfeder abschließen und mit dem Aktormodul kraftschlüssig verbunden sind. Die gesamte Einheit ist in einem Aktorgehäuse angeordnet, das an der Kopfplatte befestigt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor nach dem nebengeordneten Anspruch 10, der mit der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktoreinheit ausgebildet ist.The Invention is based on a piezoelectric actuator unit with a Actuator module according to the preamble of claim 1, which in a with filled with a potting compound Plastic sleeve is arranged. The actuator module is electrically powered with two Kontaktierungspins connected and is covered by a Bourdon tube. Furthermore is the actuator module is connected to a top plate and to a bottom plate, which complete the upper and the lower end of the Bourdon tube and with the actuator module non-positively are connected. The entire unit is arranged in an actuator housing, which is attached to the top plate. Furthermore, the invention relates a fuel injector according to the independent claim 10, the with the piezoelectric according to the invention Actuator is formed.
Es ist schon bekannt, für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere für ein Common Rail Einspritzsystem Kraftstoffinjektoren zu verwenden, in die eine piezoelektrische Aktoreinheit eingebaut ist. Zur Einspritzung von Benzin- oder Diesel-Kraftstoffen in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine werden derartige Kraftstoffinjektoren häufig auch für eine Mehrfacheinspritzung verwendet, um im Abstand von einigen Millisekunden eine oder mehrere Vor-, Haupt und Nacheinspritzungen durchzuführen. Insbesondere bei hohen Ansteuerfrequenzen kann es auf Grund der im Innern des Aktormoduls auftretenden Verlustleistung und als Folge des begrenzten elektrischen Wirkungsgrades zu einer erheblichen Eigenerwärmung des Aktormoduls kommen. Diese Eigenerwärmung ist für die Aktoreinheit sehr schädlich und kann bei extremen Bedingungen zu Funktionsstörungen oder sogar zur Zerstörung der piezoelektrischen Aktoreinheit führen.It is already known for a fuel injection system, in particular for a common rail injection system To use fuel injectors, in which a piezoelectric Actuator unit is installed. For the injection of gasoline or diesel fuels into one Combustion chamber of an internal combustion engine become such fuel injectors often also for a multiple injection used at intervals of several milliseconds to perform one or more pre, main and post injections. Especially at high driving frequencies it may be due to the inside of the Actuator module occurring power loss and as a result of limited electrical efficiency to a considerable self-heating of the Actuator module come. This self-heating is very harmful for the actuator unit and can cause malfunction or even destruction of the extreme conditions lead piezoelectric actuator unit.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass für zukünftige Einspritzsysteme verschärfte Abgasbedingungen für die Brennkraftmaschine zu erfüllen sind. Für die Einhaltung der verschärften Abgasbedingungen wird jedoch eine höhere spezifische Ansteuerenergie erforderlich, durch die eine noch höhere Verlustleistung beziehungsweise Verlustwärme entsteht. Bekannte Kraftstoffinjektoren, die mit heutigen piezoelektrischen Aktoreinheiten ausgebildet sind, sind daher in zukünftigen Einspritzsystemen nicht verwendbar, da sie den höheren thermischen Belastungen nicht widerstehen würden.One Another problem is that for future injection systems stricter exhaust conditions for the Internal combustion engine to meet are. For adherence to the tightened Exhaust conditions, however, becomes a higher specific driving energy required, through which an even higher power dissipation respectively heat loss arises. Known fuel injectors with today's piezoelectric Actuator units are formed, therefore, in future Injection systems can not be used as they are more exposed to thermal loads would not resist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einer piezoelektrischen Aktoreinheit beziehungsweise bei einem Kraftstoffinjektor die thermische Belastbarkeit zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 2 bis 10 gelöst.Of the Invention is based on the object, in a piezoelectric Actuator or in a fuel injector the thermal To improve resilience. This task comes with the features the sibling claims 2 to 10 solved.
Bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktoreinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise bei dem Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 10 ergibt sich der Vorteil, dass die innerhalb der piezoelektrischen Aktoreinheit entstehende Verlustwärme besser und zuverlässiger nach außen abgeführt werden kann, als dieses bei bekannten Aktoreinheiten möglich ist. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass zur Verbesserung der Wärmeableitung wenigstens ein Bauteil der piezoelektrischen Aktoreinheit aus einem Material gefertigt ist, bei dem nicht nur eine geforderte mechanische oder elektrische Eigenschaft berücksichtigt ist, sondern auch ein optimierter, d.h. größtmöglicher Wärmeleitkoeffizient ausgebildet ist. Vielfach weisen Werkstoffe mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften große Unterschiede im Wärmeleitkoeffizienten auf. Beispielsweise kann ein unlegierte Stahl einen 3- bis 4-fach besseren Wärmeleitkoeffizienten aufweisen als ein legierter Stahl. Durch Nutzung und Optimierung dieser Eigenschaften gelingt es in vorteilhafter Weise sehr viel bes ser, die entstehende Verlustwärme nach außen abzuführen und dadurch einen unzulässigen Temperaturanstieg im Innern der piezoelektrischen Aktoreinheit beziehungsweise des Kraftstoffinjektors zu verhindert. Dieses ist insbesondere auch deswegen sehr wichtig, da der Kraftstoffinjektor wegen seines Einbaus am ohnehin heißen Motorblock gegen Überhitzung besonders gefährdet ist.at the piezoelectric according to the invention Actuator with the characterizing features of claim 1 respectively in the fuel injector according to claim 10 results in the advantage that within the piezoelectric Actuator resulting heat loss better and more reliable after be discharged outside can, as this is possible with known actuator units. As a particularly advantageous It is considered that to improve the heat dissipation at least one Component of the piezoelectric actuator unit made of a material which is not just a required mechanical or electrical Property taken into account is, but also an optimized, i. largest possible Wärmeleitkoeffizient trained is. Often have materials with similar mechanical properties size Differences in the heat transfer coefficient on. For example, a mild steel can be 3 to 4 times have better thermal conductivity as an alloyed steel. By using and optimizing these properties it succeeds in a very advantageous way very much bes ser, the resulting heat loss outward dissipate and thereby an invalid Temperature rise in the interior of the piezoelectric actuator unit or prevents the fuel injector. This is especially true therefore very important because the fuel injector because of its installation be called anyway Engine block against overheating particularly at risk is.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den nebengeordneten Ansprüchen 2 bis 10 angegebenen piezoelektrischen Aktoreinheit beziehungsweise des Kraftstoffinjektors gegeben. Bei der Kopfplatte erscheint besonders vorteilhaft, dass als Material vorzugsweise ein Stahl verwendet wird, dessen Wärmeleitkoeffizient λ wenigstens den Wert 40 W/(K·m) aufweist. Der Stahl kann mit der erforderlichen Härte ausgebildet werden, um die Längenänderungen der Aktoreinheit verlustfrei auf das Injektorgehäuse übertragen zu können. Da die Kopfplatte des Weiteren mit einem Aktorgehäuse verbunden ist, bildet sie in Verbindung mit dem Injektorgehäuse eine besonders wirkungsvolle Wärmesenke aus, so dass besonders viel Verlustwärme an die äußere Umgebung abgeführt werden kann.By those in the dependent claims listed activities are advantageous developments and improvements in the sibling claims 2 to 10 specified piezoelectric actuator unit or given the fuel injector. The top plate looks special advantageous that preferably used as a material steel is, whose Wärmeleitkoeffizient λ at least the value 40 W / (K · m) having. The steel can be formed with the required hardness be to the length changes the actuator can be transferred lossless on the injector. There The head plate is further connected to an actuator housing, it forms in conjunction with the injector a particularly effective heat sink out, so that a lot of heat loss are dissipated to the outside environment can.
Ein weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Wärmeableitung wird darin gesehen, dass die Bodenplatte aus einem Material, vorzugsweise aus einem Stahl gefertigt ist, dessen Wärmeleitkoeffizient λ wenigstens den Wert 40 W/(K·m) erreicht. Da in der Regel die Bodenplatte in direktem mechanischen Kontakt mit zum Beispiel einem Servoventil oder einer Düsennadel steht, kann auch über die Bodenplatte und die angrenzenden Bauteile eine beträchtliche Wärmemenge abgeführt werden. Hinzu kommt, dass die Bodenplatte vom in der Regel kühlenden Kraftstoff umspült wird, so dass auch über den Kraftstoff entsprechend viel Wärmeenergie abgeleitet werden kann.One another possibility to improve heat dissipation is seen in that the bottom plate of a material, preferably is made of a steel whose Wärmeleitkoeffizient λ at least the value 40 W / (K · m) reached. As a rule, the bottom plate in direct mechanical Contact with, for example, a servo valve or a nozzle needle stands, can also over the bottom plate and the adjacent components a considerable heat dissipated become. In addition, the bottom plate of the usually cooling Fuel flows around will, so too over The fuel correspondingly much heat energy can be derived can.
Der Kontaktierungspin wird aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus einer Metalllegierung hergestellt. Da Metall in der Regel einen guten Wärmeleiter abgibt, erscheint es günstig, auch den Kontaktpin zur Wärmeableitung heranzuziehen. Der Kontaktierungspin bildet vergleichsweise nur eine kleine Wärmesenke. Diese kann aber ebenfalls genutzt werden, um die Energiebilanz der piezoelektrischen Aktoreinheit zu verbessern.Of the Contacting pin is made of an electrically conductive material, for example, made of a metal alloy. There metal usually a good conductor of heat it seems cheap, also the contact pin for heat dissipation consulted. The Kontaktierungspin forms comparatively only a small heat sink. But this can also be used to control the energy balance of the to improve piezoelectric actuator unit.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Wärmeableitung der piezoelektrischen Aktoreinheit besteht auch darin, die Rohrfeder aus einem Material zu fertigen, dessen Wärmeleitkoeffizient λ wenigstens den Wert 15 W/(K·m) erreicht. Die Rohrfeder ummantelt das Aktormodul und bildet somit zur Umgebung eine relativ große Oberfläche. Über diese große Oberfläche kann dann eine entsprechend große Wärmemenge abgeführt werden.A another possibility to improve heat dissipation The piezoelectric actuator unit also consists of the Bourdon tube made of a material whose thermal conductivity λ at least the value 15 W / (K · m) reached. The Bourdon tube surrounds the actuator module and thus forms to the environment a relatively large Surface. About these size surface can then be a correspondingly large heat be dissipated.
Das von der Rohrfeder ummantelte Aktormodul ist zum mechanischen und elektrischen Schutz in einem zylinderförmigen Aktorgehäuse angeordnet. Das Aktorgehäuse wird an seiner Außenfläche vom relativ kühlen Kraftstoff umspült. Es bildet somit eine große Wärmesenke. Bei Ausbildung des Aktorgehäuses wird ein Material verwendet, dessen Wärmeleitkoeffizient λ wenigstens den Wert 13 W/(K·m) erreicht, um einen möglichst großen Teil der anfallenden Verlustwärme abführen zu können.The actuator module encased by the Bourdon tube is for mechanical and electrical protection arranged in a cylindrical actuator housing. The actuator housing is on its outer surface of the relatively cool Fuel flows around. It thus forms a large one Heat sink. In training of the actuator housing a material is used whose thermal conductivity coefficient λ at least the value 13 W / (K · m) achieved as much as possible huge Part of the resulting heat loss lead away to be able to.
Der Hohlraum zwischen dem Aktormodul und einer Kunststoffhülse ist in der Regel mit einer Vergussmasse ausgefüllt. Als Vergussmasse eignet sich ein Silikon, das mit einem Wärmeleitkoeffizient λ von wenigstens 0,3 W/(K·m) ausgebildet ist. Durch das Silikon wird nicht nur erreicht, dass das Aktormodul gegen elektrische Spannungsüberschläge an seiner Außenwand geschützt ist. Vielmehr kann über ein gut wärmeleitendes Vergusssilikon die Wärme weitergeleitet und insbesondere auf die Rohrfeder übertragen werden.Of the Cavity between the actuator module and a plastic sleeve is usually filled with a potting compound. Suitable as potting compound a silicone, with a coefficient of thermal conductivity λ of at least 0.3 W / (K · m) is trained. The silicone not only achieves that the actuator module against electrical voltage flashovers on its outer wall protected is. Rather, over a highly thermally conductive Vergusssilikon the heat forwarded and in particular transferred to the Bourdon tube become.
Zur Verbesserung der Wärmeleitung des Vergusssilikons kann ein entsprechender Füllstoff beigemengt werden. Der Füllstoff kann beispielsweise als Granulat mit unterschiedlicher Korngröße auf einen maximalen Wärmeleitkoeffizienten abgestimmt werden. Dadurch lässt sich die Wärmeableitung über das Vergusssilikon weiter verbessern.to Improvement of heat conduction the Vergusssilikons can be added to a corresponding filler. The filler For example, as granules with different grain size on a maximum heat transfer coefficient be matched. By doing so leaves the heat dissipation over the Further improve casting silicone.
Zur Aufnahme des Aktormoduls wird in der Regel eine Montagehülse verwendet, um das Aktormodul mit den elektrischen Verbindungsleitungen zu den Kontaktierungspins vor dem Vergießen in einer gewünschten Position zu fixieren. Der Aufnahmekäfig wird aus einem Kunststoff gefertigt, beispielsweise einem Polyamid- Kunststoff (PA-Kunststoff). Alternativ kann der Kunststoff ebenfalls mit einem gut wärmeleitenden Füllstoff vermischt sein.to Recording of the actuator module is usually a mounting sleeve used to the actuator module with the electrical connection lines to the Contact pins before casting in a desired Position to fix. The receiving cage is made of a plastic manufactured, for example, a polyamide plastic (PA plastic). Alternatively, the plastic also with a good heat conducting Filler mixed be.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.One embodiment The invention is illustrated in the drawing and will become apparent in the following description explained in more detail.
An
einem oberen Ende des Aktormoduls
Das
untere Ende des Aktormoduls
Bei
Ansteuerung des Aktormoduls
- dQ/dt
- ist der Wärmestrom,
- λ
- ist der Wärmeleitkoeffizient in W/(K·m),
- δ
- ist die Dicke der Wand eines Bauteils,
- F
- ist die Fläche, durch die die Wärme strömt,
- tw1
- ist die Temperatur der wärmeren Wandoberfläche und
- tw2
- ist die Temperatur der kälteren Wandoberfläche.
- / Dt dQ
- is the heat flow,
- λ
- is the heat conduction coefficient in W / (K · m),
- δ
- is the thickness of the wall of a component,
- F
- is the area through which the heat flows
- t w1
- is the temperature of the warmer wall surface and
- t w2
- is the temperature of the colder wall surface.
Wie
aus der Formel erkennbar ist, steigt der Wärmestrom eines Bauteils mit
zunehmendem Wärmeleitkoeffizienten λ proportional
an. Das bedeutet, dass bei einem größeren Wärmeleitkoeffizienten λ mehr Wärmeenergie übertragen
beziehungsweise an die Umgebung, insbesondere an ein benachbartes,
kühleres
Bauteil abgeführt
werden kann. Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, für
wenigstens eines oder mehrere Bauteile
Wie groß die Unterschiede im Wärmeleitkoeffizienten λ von ähnlichen Werkstoffen sein können, ist aus der nachfolgenden Tabelle ersichtlich. In der Tabelle sind beispielhaft einige Werkstoffe aus Stahl und Stahllegierungen aufgelistet, die teilweise sehr unterschiedliche Wärmeleitkoeffizienten λ aufweisen. Die Wärmeleitkoeffizienten λ können sich dabei um mehr als den vierfachen Wert unterscheiden. So hat der Wärmeleitkoeffizient λ für die Legierung Invar Ni36 nur einen Wert von ca. 13 W/(K·m), während der Wert für unlegierten Stahl St35 bei 57 W/(K·m) liegt.As big the Differences in the thermal conductivity coefficient λ of similar Can be materials, is shown in the table below. In the table are as an example some materials made of steel and steel alloys listed, the partially very different Wärmeleitkoeffizienten λ have. The Wärmeleitkoeffizienten λ can be thereby differ by more than four times the value. So has the Thermal conductivity coefficient λ for the alloy Invar Ni36 only has a value of about 13 W / (K · m), while the value for unalloyed Steel St35 at 57 W / (K · m) lies.
Tabelle: Table:
Bei Kunststoffen können die Wärmeleitkoeffizienten λ ebenfalls sehr unterschiedlich sein, insbesondere wenn sie mit entsprechenden Füllstoffen vermischt sind und/oder unterschiedliche Korngrößen oder Molekularstrukturen aufweisen.at Plastics can the Wärmeleitkoeffizienten λ also be very different, especially if they are with appropriate fillers are mixed and / or different particle sizes or molecular structures exhibit.
Um
diese unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten λ zu nutzen,
ist entsprechend der Erfindung vorgesehen, die Kopfplatte
Ein
weiteres wichtiges Bauteil hinsichtlich der Wärmeableitung stellt auch die
Vergussmasse
Eine
weitere Verbesserung der Wärmeableitung
kann auch durch eine geeignete Materialwahl für die Rohrfeder
Als
verbesserter Wärmeleiter
kann auch das Aktorgehäuse
Zur
weiteren Optimierung der Wärmeableitung
ist vorgesehen, die Kunststoffhülse
Da
auch die Kontaktierungspins
Eine
optimale Wärmeableitung
wird erreicht, wenn möglichst
alle betroffenen Bauteile
In
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oberen Ende der piezoelektrischen Aktoreinheit
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |