DE102006054700A1

DE102006054700A1 - Aktormodul mit einem umhüllten Piezoaktor

Info

Publication number: DE102006054700A1
Application number: DE102006054700A
Authority: DE
Inventors: Florian Dirscherl; Kai Kuhlmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2008-05-29

Abstract

Es wird ein Aktormodul mit einem Piezoaktor (23), beispielsweise für einen Piezoinjektor zur Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor, vorgeschlagen, wobei zwischen einem Aktorkopf (25) und einem Aktorfuß (26) angeordnete Piezoelemente und eine mindestens die Piezoelemente umschließende flüssigkeitsdichte Umhüllung des Piezoaktors (23) vorhanden ist. Die Umhüllung besteht aus einem Kautschukelement (20) im Bereich der Piezoelemente des Piezoaktors (23) und aus Metallkomponenten (21) jeweils im Bereich der Anbindung des Kautschukelements (20) am Aktorkopf (25) und/oder am Aktorfuß (26).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Aktormodul mit einem eine Umhüllung aufweisenden Piezoaktor, gemäß der Gattung des Hauptanspruchs, der beispielsweise in einem Piezoinjektor zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann.
Ein solcher Piezoinjektor besteht im Wesentlichen aus einem Haltekörper und dem im Haltekörper angeordneten Piezoaktor, der zwischen einem Aktorkopf und einem Aktorfuß angeordnete, übereinandergestapelte Piezoelemente aufweist, die jeweils aus mit Innenelektroden eingefassten Piezolagen bestehen. Die Piezoelemente sind unter Verwendung eines Materials mit einer geeigneten Kristallstruktur (Piezokeramik) für die Piezolagen so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren Spannung an die Innenelektroden eine mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Der Piezoaktor ist bei einem Piezoinjektor mit einer Düsennadel verbunden, sodass durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben wird.
In Diesel-Piezoinjektoren werden bei der so genannten direkten Düsennadelsteuerung die Piezoaktoren direkt im Dieselkraftstoff unter Hochdruck betrieben. Zum Schutz der Piezoelemente, beispielsweise im Hinblick auf deren elektrische Isolation, ist es bekannt, den Piezoaktor mit einem Elastomer zu umhüllen. Da die Anwesenheit von Kraftstoff, insbesondere hinsichtlich seiner leitfähigen Bestandteile, auf der Oberfläche des Piezoaktors zu einem elektrischen Überschlag zwischen den Elektroden und somit dem Versagen des Piezoaktors führen würde, muss der Piezoaktor vor dem direkten Kontakt mit dem Kraftstoff geschützt werden. Nachteilig bei der Verwendung der zuvor erwähnten Materialien ist dabei, dass die hierfür verwendeten Elastomere nicht dauerhaft diffusionsfest gegenüber Dieselkraftstoff, Wasser sowie sonstigen Medien im Kraftstoff sind.
Aus der DE 101 39 871 A1 ist ein Piezoinjektor mit einem über einen hydraulischen Druckübersetzer auf ein Ventilglied einwirkenden Aktormodul bekannt, bei dem die Piezoelemente des Piezoaktors in einer mit einem metallischen Wellbalg versehenen Umhüllung angeordnet sind. Weiterhin ist bisher ist auch die Ummantelung des Aktormoduls mit einem geschweißten Metallgehäuse mit Membran und Silikonfüllung bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Aktormodul mit einem Piezoaktor aus, der zwischen einem Aktorkopf und einem Aktorfuß angeordnete Piezoelemente und eine mindestens die Piezoelemente umgebende flüssigkeitsdichte Umhüllung aufweist. Erfindungsgemäß besteht die Umhüllung in vorteilhafter Weise aus einem Kautschukelement zumindest im Bereich der Piezoelemente und aus Metallkomponenten jeweils im Bereich der Anbindung des Kautschukelements am Aktorkopf und/oder am Aktorfuß. In besonders vorteilhafter Weise ist das Kautschukelement an die Metallkomponenten mittels einer Vulkanisierung angebunden. Die Metallkomponenten werden dann mittels eines form- und/oder stoffschlüssigen Fügeverfahrens an den Aktorkopf und/oder den Aktorfuß angefügt.
Als form- und/oder stoffschlüssiges Fügeverfahren kommt hierbei insbesondere ein Kleben oder Verschweißen der Metallkomponenten an den Aktorkopf und/oder den Aktorfuß in Frage. Der verbleibende Raum zwischen dem Kautschukelement und den Piezoelementen kann auf einfache Weise durch ein vorzugsweise elektrisch isolierendes Fluid ausgefüllt werden. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung des Aktormoduls als Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor vorteilhaft, bei der der Kraftstoff die Umhüllung umströmt.
Die Erfindung ermöglicht auf einfache Weise eine starre Anbindung der Umhüllung am Aktorkopf und am Aktorfuß mittels bekannter und erprobter Fügeverfahren wie Schweißen oder Kleben, wobei die Anschlussgeometrie vergleichsweise einfach gestaltet werden kann und der notwendige flexible Aufbau der Umhüllung für einen Längenausgleich zwischen dem Aktorkopf und dem Aktorfuß im Betrieb des Aktormoduls durch eine weitere Konstruktionseinheit in Form eines Kautschukelements sichergestellt wird, das in an sich bekannter Weise mittels Vulkanisierung an die Metallkomponenten dauerhaft und sicher angebunden werden kann.
Vorteilhaft ist hierbei insbesondere der einfache Aufbau, die Möglichkeit des Fremdbezugs oder der Vorfertigung der verwendeten Bauteile und somit die Vereinfachung und Vergünstigung des Montageprozesses.
Die innere kohäsive Beständigkeit des erfindungsgemäßen Kautschukelements als Schutzschicht bei einer dynamischen Belastung im Betrieb des Aktormoduls sowie die gute adhäsive Anbindung an die Metallteile gewährleisten einen sicheren Betrieb, wobei die hohe Beständigkeit sowie die abdichtenden Eigenschaften des Kautschukmaterials gegenüber Kraftstoffen durch seine Verwendung als Kraftstoffleitung erprobt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors mit einem Aktormodul nach dem Stand der Technik im Längsschnitt,
2 eine separate Darstellung einer erfindungsgemäßen Umhüllung für einen Piezoaktor, bestehend aus einem Kautschukelement und aus Metallkomponenten und
3 eine Darstellung einer auf einen Piezoaktor aufgebrachten Umhüllung nach der 2.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein in 1 zur Erläuterung des erfindungemäßen Aktormoduls dargestellter Piezoinjektor 1 nach dem Stand der Technik umfasst im Wesentlichen einen Haltekörper 2 und einen in dem Haltekörper 2 angeordneten Piezoaktor 3, der ein Aktorkopf 4 und einen Aktorfuß 5 aufweist. Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinandergestapelte Piezoelemente 6 vorhanden, die jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.
Die Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind über ein Steckerteil 9 mit Zuleitungen zu Außenelektroden 10 und 11 elektrisch kontaktiert. Der Piezoaktor 3, der mit weiteren, hier nicht näher gezeigten Bauteilen ein sogenanntes Aktormodul darstellt, ist über einen Koppler 12 mit einer Düsennadel 13 verbunden. Durch Anlegen einer Spannung an die Piezoelemente 6 über die Innenelektroden 7 und 8 und die daraus folgende mechanische Reaktion wird, wie in der Beschreibungseinleitung erläutert, eine Düsenöffnung 14 freigegeben. Das Aktormodul mit dem Piezoaktor 3 wird bei der dargestellten Anwendung nach der 1 als Piezoinjektor in einem Raum 15 von dem zu dosierenden Kraftstoff, zum Beispiel Dieselkraftstoff, umströmt.
In 2 sind zwei wesentliche zur Erfindung gehörenden Bauteile gezeigt, die eine Umhüllung eines Piezoaktors, vergleichbar mit dem Piezoaktor 3 nach der 1, bilden. Es ist hier ein flexibles röhrenförmiges Kautschukelement 20 vorhanden, das mit zwei hülsenförmigen Metallkomponenten 21 über jeweils eine umlaufende Vulkanisierung 22 verbunden ist. Die Konstruktion besteht somit aus drei Elementen, wobei die äußeren Metallkomponenten 21 die Anbindung des Kautschukelements 20 als Schutzschicht an das weiter unten beschriebene Aktormodul mittels bekannter und beherrschter Fügeverfahren, wie Kleben oder Schweißen ermöglichen.
Aus 3 ist zu entnehmen, wie das Kautschukelement 20 und die zwei Metallkomponenten 21 an einen Piezoaktor 23 angefügt sind, wobei an radial umlaufenden Fügestellen 24, zum Beispiel durch Kleben oder Verschweißen, die Metallkomponenten 21 an einen Aktorkopf 25 und an einen Aktorfuß 26 des Piezoaktors 23 zur Bildung eines erfindungsgemäßen Aktormoduls 27 angefügt sind. Zum Druckausgleich und zur Verbesserung der Wärmeabfuhr werden hierbei verbleibende Hohlräume zwischen der Umhüllung, d. h. hier dem Kautschukelement 20, und dem Piezoaktor 23 durch ein geeignetes Fluid 28 aufgefüllt.

Claims

Aktormodul mit einem Piezoaktor (3), der zwischen einem Aktorkopf (4) und einem Aktorfuß (5) angeordnete Piezoelemente (6) aufweist, mit einer mindestens die Piezoelemente (6) umschließenden flüssigkeitsdichten Umhüllung des Piezoaktors (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung aus einem Kautschukelement (20) im Bereich der Piezoelemente des Piezoaktors (23) und aus Metallkomponenten (21) jeweils im Bereich der Anbindung des Kautschukelements (20) am Aktorkopf (25) und/oder am Aktorfuß (26) besteht.
Aktormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kautschukelement (20) röhrenförmig und die Metallkomponenten (21) hülsenförmig ausgebildet sind.
Aktormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kautschukelement (20) an die Metallkomponenten (21) mittels einer Vulkanisierung (22) angebunden ist.
Aktormodul nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten (21) mittels eines form- und/oder stoffschlüssigen Fügeverfahrens (24) an den Aktorkopf (25) und/oder den Aktorfuß (26) angefügt sind.
Aktormodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten (21) mittels einer Klebung (24) an den Aktorkopf (25) und/oder den Aktorfuß (26) angefügt sind.
Aktormodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponenten (21) mittels einer Verschweißung (24) an den Aktorkopf (25) und/oder den Aktorfuß (26) angefügt sind.
Aktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in einem verbleibenden Raum zwischen dem Kautschukelement (20) und dem Piezoaktor (23) ein Fluid (28) eingebracht ist.
Verwendung eines Aktormoduls nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Piezoaktor (23) Bestandteil eines Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor ist, wobei der Kraftstoff die Umhüllung mit dem Kautschukelement (20) und den Metallkomponenten (21) umströmt.