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Die
Erfindung geht von einer piezoelektrischen Aktoreinheit mit einem
Aktormodul nach der Gattung des Anspruchs 1 aus, dass 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 13, der
mit der erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktoreinheit ausgebildet ist.
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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 Funkti onsstörungen oder sogar zur Zerstörung der
piezoelektrischen Aktoreinheit führen.
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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.
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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
1 und 13 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Aktoreinheit mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise
bei dem Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch
13 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
auf einer Oberfläche wenigstens
eines Bauteils der piezoelektrischen Aktoreinheit eine Struktur
mit wenigstens einer Teilfläche
aufgebracht ist, durch die die Oberfläche des Bauteils vergrößert wird.
Die Oberfläche
kann durch geeignete Strukturen um das Mehrfache vergrößert werden,
so dass die Wärmeableitung
er heblich verbessert wird. Durch Nutzung und Optimierung dieser Eigenschaft
gelingt es in vorteilhafter Weise sehr viel besser, die entstehende
Verlustwärme
nach außen abzuführen und
dadurch einen unzulässigen
Temperaturanstieg im Innern der piezoelektrischen Aktoreinheit beziehungsweise
des Kraftstoffinjektors zu verhindern. Dieses ist insbesondere auch
deswegen von Vorteil, da der Kraftstoffinjektor wegen seines Einbaus
am ohnehin heißen
Motorblock besonders thermisch belastet ist.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüchen
1 und 13 angegebenen piezoelektrischen Aktoreinheit beziehungsweise
des Kraftstoffinjektors gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen,
dass die Teilfläche
besonders einfach vergrößert werden
kann, wenn sie eine Wölbung
aufweist, die beispielsweise konvex, konkav, kegelförmig, kugelförmig oder
unregelmäßig geformt
ausgebildet ist. Durch die Wölbung
kann die Oberfläche des
Bauteils erheblich vergrößert werden,
so dass sich dadurch eine wesentlich größere Wärmeableitung ergibt.
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Durch
eine Ausbildung der Teilfläche
in Form eines geometrischen Vielecks, beispielsweise eines Quadrats,
eines Rechtecks, einer Raute oder dergleichen lässt sich die verfügbare Oberfläche des
Bauteils optimal für
eine Flächenvergrößerung nutzen. Hinzu
kommt, dass derartige Strukturen praktisch auf jedem Material aufgebracht
werden können.
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Eine
Teilfläche
kann beispielsweise durch eine einfache Prägung ausgebildet werden, die
insbesondere an einer dünnwandigen
Oberfläche
eines Bauteils leicht anzubringen ist.
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Besonders
wirkungsvoll kann die Oberfläche vergrößert werden,
wenn die Teilflächen
mit Partikeln beschichtet sind. Die Partikel können zum Beispiel durch einen
Sinterprozess oder ein entsprechendes Beschichtungsverfahren leicht
aufgebracht werden.
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Zur
Vereinfachung des Herstellverfahrens für die Struktur ist vorgesehen,
die Struktur aus symmetrisch angeordneten Teilflächen zu bilden. Die einzelnen
Teilflächen
können
nebeneinander gereiht angeordnet sein, so dass sich relativ einfach
herzustellende Strukturen ergeben, für die sich eine gute Konvektion
oder Wärmeleitung
für den
Wärmefluss
ausbilden kann.
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Eine
besonders günstige
Anordnung der Teilflächen
wird in einer streifenförmigen
oder wabenförmigen
Anordnung gesehen. Eine solche Struktur kann leicht auf jede geformte
Oberfläche
aufgebracht werden.
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Die
Oberfläche
des Bauteils kann besonders wirkungsvoll vergrößert werden, wenn mehrere Teilflächen schuppenförmig aneinander
stoßend
angeordnet werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Lösung
zur Vergrößerung der
Oberfläche
besteht darin, auf der Oberfläche
des Bauteils ein Lochmuster aufzubringen. Beispielsweise können kreisförmige Teilflächen auf
die Oberfläche
des Bauteils aufgesetzt werden, um die Oberfläche für einen besseren Wärmefluss
zu vergrößern.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, die Oberfläche eines
Bauteils mit einer wärmeabstrahlenden
oder gut wärmeleitenden
Beschichtung auszubilden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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1 zeigt
ein Schnittbild durch eine erfindungsgemäße piezoelektrische Aktoreinheit,
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2a bis 2e zeigen
mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit unterschiedlichen Strukturen zur Vergrößerung der
Oberfläche,
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3 zeigt
ein Schnittbild einer Struktur mit einer Partikelbeschichtung und
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4 zeigt
einen Kraftstoffinjektor mit einer erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktoreinheit entsprechend
der 1 in schematischer Darstellung.
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1 zeigt
ein Schnittbild durch eine erfindungsgemäße piezoelektrische Aktoreinheit 1,
die insbesondere als Antriebseinheit zur Betätigung einer Einspritzdüse in einem
Kraftstoffinjektor verwendbar ist. Die piezoelektrische Aktoreinheit 1 weist ein
Aktormodul 2 auf, das aus mehreren hundert piezoelektrischen
Keramikschichten in Form eines Stapelaktors aufgebaut ist. Zwischen
jeweils zwei Keramikschichten ist eine Innenelektrode angeordnet,
die wechselweise mit zwei an der Außenwand des Aktormoduls 2 vertikal
verlaufenden Außenelektroden elektrisch
leitend verbunden ist. Des weiteren sind parallel zu den beiden
Außenelektroden
zwei Kontaktierungspins 7 angeordnet, die über entsprechende
Leitungen mit den beiden Außenelektroden
kontaktiert sind. Zur Montage wird das Aktormodul 2 mit den
verdrahteten beiden Kontaktierungspins 7 in eine Kunststoffhülse (Montagehülse) 5 eingesetzt und
fixiert. Die Kunststoffhülse 5 ist
gleichzeitig als Gussform ausgebildet, in der die eingesetzten Bauteile 2,7 mit einer
Vergussmasse 9, beispielsweise mit einem Vergusssilikon,
Elastomer oder ähnlichem vergossen
werden. Die Kunststoffhülse 5 ist
aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem PA-Kunststoff (Polyamid)
gefertigt.
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An
einem oberen Ende des Aktormoduls 2 ist eine Kopfplatte 3 angeordnet,
die mit dem Aktormodul 2 kraftschlüssig verbunden ist. Die Kopfplatte 3 begrenzt
somit das Aktormodul 2 nach oben. In der Kopfplatte 3 sind
zwei isolierte Durchführungen
für die
beiden Kontaktierungspins 7 so ausgeführt, dass die herausragenden
Enden der beiden Kontaktierungspins 7 später zur
elektrischen Versorgung des Aktormoduls 2 an eine Steuerspannung
eines entsprechenden Steuergerätes
angeschlossen werden können.
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Das
untere Ende des Aktormoduls 2 wird von einer Bodenplatte 4 begrenzt,
die ebenfalls mit dem Aktormodul 2 kraftschlüssig verbunden
ist. Zwischen der Kopfplatte 3 und der Bodenplatte 4 ist
eine Rohrfeder 8 hülsenförmig angeordnet
und umschließt
das vergossene Aktormodul 2. Die Rohrfeder 8 wird
mit einer Vorspannkraft montiert, die auf das Aktormodul 2 als
Rückstellkraft
wirkt und somit eine Rückstellung des
nicht angesteuerten Aktormoduls 2 in seine Grundstellung
unterstützt.
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Die
ganze Baugruppe wird von einem Aktorgehäuse 6 hülsenförmig ummantelt.
Das obere Ende des Aktorgehäuses 6 ist
dabei mit der Kopfplatte 3 fest und abdichtend verbunden.
Das untere Ende des Aktorgehäuses 6 ist
dagegen gegenüber
der Bodenplatte 4 axial beweglich angeordnet, aber ebenfalls kraftstoffdicht
abgedichtet. Bei Ansteuerung des Aktormoduls 2 entsteht
somit zwischen der Bodenplatte 4 und der Unterseite des
Aktorgehäuses 6 eine
geringe, axiale Hubbewegung, die zur Steuerung eines Servoventils,
einer Düsennadel
oder dergleichen genutzt werden kann.
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Bei
Ansteuerung des Aktormoduls 2 entsteht in der piezoelektrischen
Aktoreinheit 1 auf Grund des begrenzten Wirkungsgrades
eine entsprechende Verlustwärme,
die zu einer Eigenerwärmung
der umgebenden Bauteile, insbesondere der Kopfplatte 3, der
Bodenplatte 4, der Kunststoffhülse 5, dem Aktorgehäuse 6,
den Kontaktierungspins 7 und der Rohrfeder 8 führt, da
jedes Bauteil 3 bis 8 auf Grund seiner geometrischen
Abmessungen eine konstruktiv vorgegebene Oberfläche aufweist, über die
nur eine begrenzte Wärmemenge
an die Umgebung abgeführt werden
kann. Vollständigkeitshalber
sein erwähnt, dass
auch die Vergussmasse 9 entsprechend aufgeheizt wird.
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Der
pro Zeiteinheit auftretende Wärmefluss dQ/dt
der einzelnen Bauteile (3 bis 8) kann dabei nach
der Formel berechnet werden: dQ/dt = λ/δ·F·(tw1 – tw2)
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- dQ/dt
- ist der zeitliche
Wärmefluss,
- 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, entsprechend
der Oberfläche
des Bauteils,
- tw1
- ist die Temperatur
der wärmeren
Wandoberfläche
und
- tw2
- ist die Temperatur
der kälteren
Wandoberfläche.
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Wie
aus der Formel erkennbar ist, steigt der Wärmefluss dQ/dt eines Bauteils 8 mit
zunehmender Fläche
F proportional an. Die Fläche
F entspricht dabei der Oberfläche
eines der zuvor aufgeführten
Bauteile 3 bis 8. Das bedeutet, dass bei einer
vergrößerten Oberfläche mehr
Wärmeenergie übertragen
beziehungsweise an die Umgebung, insbesondere an ein benachbartes,
kühleres
Bauteil abgeführt
werden kann als bei einer kleineren Oberfläche.
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Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, für
wenigstens eines der Bauteile 3 bis 8 der piezoelektrischen
Aktoreinheit 1 die Oberfläche des Bauteils so zu vergrößern, dass
mehr Wärmeenergie übertragen
werden kann. Dadurch wird die thermische Belastung der piezoelektrischen
Aktoreinheit 1 beziehungsweise des Kraftstoffinjektors 11 in
vorteilhafter Weise erheblich reduziert und damit die thermische
Belastbarkeit verbessert.
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Durch
die vergrößerte Oberfläche eines
oder mehrerer benachbarter Bauteile 3 bis 8 wird
insbesondere bei freien Oberlfächen
durch die auftretende Konvektion die Wärmeübertragungsleistung gesteigert.
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Ein
optimaler Wärmefluss
wird erreicht, wenn möglichst
alle betroffenen Bauteile 3 bis 8 bezüglich ihrer
Struktur mit einer möglichst
großen Oberfläche ausgebildet
sind. Dadurch sinkt die Bauteiletemperatur, insbesondere die des
Aktormoduls 2 so tief, dass die piezoelektrische Aktoreinheit 1 für höherwertigere
Anforderungen geeignet ist und beispielsweise mit einer höheren Ansteuerenergie
betrieben werden kann. Beispielsweise kann dann die Anzahl der Einspritzimpulse
pro Arbeitszyklus gefahrlos auf fünf oder mehr Einspritzimpulse
gesteigert werden, ohne dass die piezoelektrische Aktoreinheit 1 beziehungsweise
der Kraftstoffinjektor 11 thermisch überlastet werden. Durch die
erfindungsgemäße Lösung gewinnt
man in vorteilhafter Weise neue Freiräume für verbesserte Einspritzstrategien.
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In
den 2a bis 2e sind
beispielhaft fünf
erfindungsgemäße Strukturen
S dargestellt, mit denen die Oberfläche eines oder mehrerer Bauteile vergrößert werden
kann. Bei der Struktur S gemäß 2a ist
eine streifenförmige
Anordnung von Teilflächen
F vorgesehen. Die einzelnen Teilflächen F können durch eingebrachte Gräben oder
Vertiefungen voneinander ge trennt werden. Alternativ ist vorgesehen,
die Teilflächen
F auf die Oberfläche
eines Bauteils mit entsprechenden unterschiedlichen Höhen aufzubringen.
So können
insbesondere bei einem dünnwandigen
Material, bei den Kontaktierungsstiften 7 oder dem Aktorgehäuse 6 die
Teilflächen
F durch Prägung
aufgebracht werden. Bei einem Kunststoffteil wie der Kunststoffhülse 5 können die
Teilflächen
F im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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2b zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Hier wird die Struktur S aus symmetrisch angeordneten
Teilflächen
F gebildet, die wabenförmig
(Wabenmuster) ausgebildet sind. Die Form einer Teilfläche F kann
beliebig gewählt
werden. Es ist vorgesehen, die Form als geometrisches Vieleck, beispielsweise
als Quadrat, Rechteck, Raute oder dergleichen auszubilden.
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Alternativ
ist vorgesehen, die Teilflächen
mit einer Wölbung
auszuformen, um die Oberfläche
zu vergrößern. Die
Wölbung
kann konvex, konkav, kegelförmig,
kugelförmig,
unregelmäßig geformt
oder dergleichen ausgeformt sein.
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2c zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Struktur S eine Teilfläche F aufweist,
die mit einem Lochmuster ausgebildet ist. Die kreisförmigen Teilflächen F werden
auf die Oberfläche
des Bauteils aufgesetzt und vergrößern dadurch die Oberfläche.
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Bei
den beiden Ausführungsbeispielen
der 2d und 2e weisen
die Strukturen S eine Vielzahl von Teilflächen F auf, die schuppenförmig aneinander
stoßend
angeordnet sind.
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Bezugnehmend
auf 3 ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, die Oberfläche 13 des
Bauteils 8 durch eine Beschichtung mit Partikeln 10 zu
vergrößern. Die
Parti kel 10 können
aus dem gleichen Material wie das Bauteil 8 sein und zum Beispiel
durch ein Sinterverfahren hergestellt werden. Alternativ können sie
durch ein Beschichtungsverfahren mit einem entsprechenden Granulat
aufgebracht werden. Dabei kann insbesondere ein gut wärmeleitendes
Material verwendet werden. Je nach Wahl der Größe und Form der Partikel 10 kann
somit die Oberfläche
des Bauteils um das drei- bis vierfache vergrößert werden.
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Zur
weiteren Verbesserung des Wärmeflusses
können
die Teilflächen
F mit einer gut wärmeleitenden
Beschichtung überzogen
werden.
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In 4 ist
ein Kraftstoffinjektor 11 als Schnittbild dargestellt,
wie er beispielsweise in einem Common Rail Einspritzsystem für einen
Diesel- oder Benzinmotor Verwendung finden kann. Im oberen Teil
des Kraftstoffinjektors 11 wird der Kraftstoff über einen
Kraftstoffeinlass 12 zugeführt. Im mittleren Teil des
Kraftstoffinjektors 11 ist die piezoelektrische Aktoreinheit 1 und
unterhalb dieser ist eine Ventileinheit 14 angeordnet.
Die Anordnung der Aktoreinheit 1 ist dabei derart gestaltet,
dass sie mit der Ventileinheit 14 in Wirkverbindung steht.
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Am
oberen Ende der piezoelektrische Aktoreinheit 1 befinden
sich die Anschlüsse
für die
Kontaktierungspins 7. Durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung
an die Kontaktierungspins 7 verlängert sich die piezoelektrische
Aktoreinheit 1 ein kleines Stück. Diese Verlängerung
bewirkt, dass die Ventileinheit 14 ihre Düsennadel
anhebt und die im unteren Teil der Düseneinheit 14 befindlichen
Spritzlöcher 15 öffnet. Dadurch
kann der Kraftstoff mit hohem Druck in einen Zylinder des Motors
eingespritzt werden. Nach Abschalten der Steuerspannung zieht sich
die piezoelektrische Aktoreinheit 1 wieder in ihre Grundposition
zurück.
Dadurch erhöht
sich im In nern des Kraftstoffinjektors 11 eine vom Kraftstoffdruck gesteuerte
Schließkraft,
die auf die Düsennadel
wirkt und als Folge dessen die Spritzlöcher 15 wieder schließt beziehungsweise
abdichtet.