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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Aktorkopf für ein Piezoaktormodul nach
den gattungsgemäßen Merkmalen
des Anspruchs 1, ein Piezoaktormodul mit einem solchen Aktorkopf
nach den gattungsgemäßen Merkmalen
des Anspruchs 7, sowie einen Piezoinjektor nach den gattungsgemäßen Merkmalen
des Anspruchs 8.
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Es
ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines zuvor erwähnten Piezoaktormoduls
Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des so
genannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubs eines Ventils
oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoelemente sind
aus Piezolagen aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur
so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung
an Innenelektroden, die die Piezolagen jeweils einschließen, eine
mechanische Reaktion der Piezoelemente erfolgt.
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Ein
Piezoaktor besteht dabei aus einem oder mehreren an ihren Stirnflächen miteinander
typischerweise durch Verkleben miteinander verbundenen Piezoelementen
sowie aus entlang dem Piezoelement verlaufenden Außenelektroden
zur elektrischen Kontaktierung der Innenelektroden.
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In
Abhängigkeit
von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen
Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck oder Zug in eine
vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise
für Anwendungen,
bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen
ablaufen.
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Piezoaktoren
werden beispielsweise in Piezoinjektoren eingesetzt, welche zur
zeitpunkt- und mengengenauen
Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren
verwendet werden.
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Ein
Piezoinjektor besteht im wesentlichen aus einem Haltekörper und
einem in dem Haltekörper unter
einer Druckvorspannung angeordneten Piezoaktormodul, bestehend aus
einem Kopf- und einem Fußteil,
sowie einem zwischen Kopf- und Fußteil angeordneten Piezoaktor
aus einem oder mehreren Piezoelementen. Das Kopfteil des Piezoaktormoduls ist
mit einer Düsennadel
verbunden, so dass durch Anlegen oder Wegnahme einer Spannung an
die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben
oder verschlossen wird. Das auch als Aktorkopf und Aktorfuß bezeichnete
Kopf- und Fußteil
sind an gegenüberliegenden
Stirnflächen
des Piezoaktors angeordnet.
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Aktorköpfe bzw.
Kopfteile werden typischerweise im Vollmaterialdesign aus Stahl
hergestellt, bei dem ein Aktorkopf aus einem massiven Werkstück hergestellt
wird und die durch Form und Abmessungen der Außenflächen gebildete Außengeometrie
an das Konzept und die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls
angepasst wird.
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Ein
Nachteil der nach dem Stand der Technik bekannten Ausführungen
von Aktorköpfen
ist deren relativ große
Masse, welche durch ihre Massenträgheit bei den auftretenden
sehr hohen Beschleunigungen am Aktorkopf während des dynamischen Betriebs
eines Piezoaktormoduls zu hohen axialen Kräften im Piezoaktor führt. Dadurch
wird die Sicherstellung einer ausreichenden axialen Druckspannung
im Piezoaktor erheblich erschwert. Eine unzureichende Druckvorspannung
im Piezoaktor führt
zu einer mechanischen Schädigung
des Materials der Piezolagen in Form beispielsweise von Rissen,
wodurch eine Dauerhaltigkeit im Betrieb nicht mehr gewährleistet
ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem Aktorkopf bzw. Kopfteil für ein Piezoaktormodul.
Der erfindungsgemäße Aktorkopf
weist mindestens eine die Funktionalität des Aktorkopfes uneinschränkende Ausnehmung
und/oder mindestens einen Hohlraum auf, zur Materialeinsparung und
damit zur Verringerung der Masse des Aktorkopfes im Vergleich zu
einem Vollmaterialdesign.
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Die
Ausnehmung kann in Form einer Kavität, eines Hohlraums, eines Lochs,
eines Sacklochs, einer Durchgangsöffnung, einer Bohrung, einer
Nut und dergleichen ausgeführt
sein.
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Der
erfindungsgemäße Aktorkopf
bzw. das erfindungsgemäße Kopfteil
für ein
Piezoaktormodul weist gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil einer deutlich verringerten Masse
bei im Vergleich zum Stand der Technik gleicher Funktionalität auf.
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Eine
Verringerung der Masse des Aktrokopfes wird erzielt durch eine vom
Vollmaterialdesign abweichende Materialeinsparung.
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Vorteile
gegenüber
dem Stand der Technik ergeben sich dadurch, dass die passive bewegte Masse
des in der Regel aus Stahl angefertigten Kopfteils und dadurch die
auftretenden Axialkräfte
durch die geringere Massenträgheit
deutlich verringert werden. Dadurch wird die Vorspannungssituation
des Piezoaktors bzw. des Piezoaktormoduls im dynamischen Betrieb
erheblich entschärft,
was deutlich zur Verringerung von mechanischen Schädigungen
und zur Sicherstellung der Dauerhaltbarkeit von Piezoaktoren bzw.
von mit einem derartigen Aktorkopf ausgestatteten Piezoaktormodulen
beiträgt.
Ein zusätzlicher
positiver Effekt der verringerten bewegten Masse ist die höhere Eigenschwingungsfrequenz
eines mit einem derartigen Aktorkopf ausgestatteten Piezoaktormoduls,
was sich ebenso positiv auf die Belastungssituation des Piezoaktors
und beispielsweise bei Anwendungen in piezogesteuerten Hochdruck-Common-Rail
Injektoren auf das Gesamtsystem auswirkt.
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Wichtig
ist hervorzuheben, dass der erfindungsgemäße Aktorkopf aufgrund der geringen
Anforderungen an Maßtoleranzen
und Oberflächengüte der im
Vergleich zum Vollmaterialdesign zusätzlich erzeugten Oberflächen der
Ausnehmung bzw. des Hohlraumes hinsichtlich der Herstellungskosten
im Vergleich zum konventionellen Vollmaterialdesign praktisch neutral
ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Ausnehmung
und/oder der Hohlraum bei einer Anwendung des Aktorkopfes bzw. einem
Betrieb des Piezoaktormoduls in einem Umgebungsmedium mit dem Umgebungsmedium befüllbar ist.
Dies ist vorteilhaft bei einer Anwendung beispielsweise in Dieseleinspritzventilen
direkt in dem umströmenden
Dieselkraftstoff.
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Vorzugsweise
weist die Ausnehmung und/oder der Hohlraum mindestens eine Verbindung zur
Kommunikation mit einer Umgebung des Aktorkopfes auf. Durch eine
Verbindung zur Umgebung des Aktorkopfes kommt es zu einer Kommunikation des
Umgebungsmediums und es kann sich ein Druckausgleich zwischen der
Umgebung und der Ausnehmung bzw. dem Hohlraum einstellen.
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Die
Verbindung ist vorzugsweise derart bemessen, dass ein Druckausgleich
zwischen der Umgebung und der Ausnehmung bzw. dem Hohlraum unmittelbar
und ohne Verzögerung
stattfindet. Dies ist insbesondere bei einer Anwendung in Common-Rail
Einspritzsystemen mit variablem Raildruck von Vorteil.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
die Verringerung der Masse des Aktorkopfes im Vergleich zu einem
Vollmaterialdesign nur durch die in Ab hängigkeit von unterschiedlichen
Anwendungsfällen
nötige
mechanische Festigkeit beschränkt
ist.
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Der
erfindungsgemäße Aktorkopf
weist vorzugsweise eine im Vergleich zu einem Vollmaterialdesign
im wesentlichen unveränderten
Außengeometrie
auf.
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Ein
zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul mit
einem Aktorfuß und
einem Aktorkopf und mindestens einem dazwischen eingefassten Piezoaktor.
Bei dem Aktorkopf handelt es sich um einen oben beschriebenen erfindungsgemäßen Aktorkopf.
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Ein
dritter Gegenstand der Erfindung betrifft einen Piezoinjektor mit
einem Haltekörper
und einem in dem Haltekörper
angeordneten Piezoaktormodul. Bei dem Piezoaktormodul handelt es
sich um ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Piezoaktormodul.
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Sowohl
das erfindungsgemäße Piezoaktormodul
als auch der erfindungsgemäße Piezoaktor
erlauben es, die Vorteile des erfindungsgemäßen Aktorkopfes bzw. Kopfteils
zu nutzen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist im Folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Piezoinjektors in einem Längsschnitt,
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2 eine
schematische Darstellung eines Aktorkopfes in einer Seitenansicht,
sowie
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3 den
Aktorkopf aus 2 in einer Draufsicht.
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Ein
in 1 dargestellter Piezoinjektor 1 umfasst
im wesentlichen einen Haltekörper 2 und
einen in dem Haltekörper 2 angeordnetes
Piezoaktormodul 3, das unter anderem einen Aktorkopf 4 und
einen Aktorfuß 5 aufweist.
Es sind dabei zwischen dem Aktorkopf 4 und dem Aktorfuß 5 mehrere übereinander gestapelte
Piezoelemente 6 zur Bildung des eigentlichen Piezoaktors 20 vorhanden,
die jeweils aus Piezolagen aus Piezokeramik und diese einschließende Innenelektroden 7 und 8 bestehen.
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Die
Innenelektroden 7 und 8 der Piezoelemente 6 sind
mit Außenelektroden 10 und 11 und dann über ein
Steckerteil 9 elektrisch kontaktiert. Das Piezoaktormodul 3 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
Piezoaktormodul 3 wird bei der dargestellten Anwendung
nach 1 als Piezoinjektor 1 in einem Raum 15 von
einem mit dem Piezoinjektor 1 zu dosierenden Medium, typischerweise
einem Kraftstoff für
einen Verbrennungsmotor umströmt.
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Ein
erfindungsgemäßer Aktorkopf 4 ist
in den 2 und 3 näher dargestellt. Der Aktorkopf 4 weist
eine die Funktionalität
des Aktorkopfes 4 uneinschränkende Ausnehmung 30 in
Form einer Längsnut 32 auf.
Durch die Längsnut 32 kommt
es im Vergleich zu einem Vollmaterialdesign zu einer Materialeinsparung
und damit zur Verringerung der Masse des Aktorkopfes 4.
Der Aktorkopf 4 weist eine im Vergleich zu einem Vollmaterialdesign
im wesentlichen unveränderte
Außengeometrie
auf.
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Zur
Materialeinsparung kann die Ausnehmung 30 in jeder beliebigen
Form ausgeführt
sein, beispielsweise in Form einer Kavität, eines Hohlraums, eines Lochs,
eines Sacklochs, einer Durchgangsöffnung, einer Bohrung, einer
Nut und dergleichen.
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Eine
Verringerung der Masse des Aktorkopfes 4 wird erzielt durch
eine vom Vollmaterialdesign abweichende Materialeinsparung.
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Die
Ausnehmung 30 ist bei einer Anwendung des Aktorkopfes 4 bzw.
einem Betrieb des Piezoaktormoduls in einem Umgebungsmedium mit
dem Umgebungsmedium gefüllt.
Dies ist vorteilhaft bei einer Anwendung beispielsweise in Dieseleinspritzventilen direkt
in dem umströmenden
Dieselkraftstoff.
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Eine
die Ausnehmung 30 mit der Umgebung des Aktorkopfes verbindende,
in den 2 und 3 nicht näher ausgeführte, Verbindungsöffnung 34 erlaubt
eine Kommunikation des in der Ausnehmung 30 befindlichen
Umgebungsmediums mit der Umgebung, welche beispielsweise der Raum 15 in 1 sein
kann. Durch die Verbindungsöffnung 34 zur
Umgebung des Aktorkopfes 4 kommt es zu einer Kommunikation
des Umgebungsmediums und es kann sich ein Druckausgleich zwischen
der Umgebung und der Ausnehmung 30 einstellen.
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Die
Verbindungsöffnung 34 ist
derart bemessen, dass ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und
der Ausnehmung 30 unmittelbar und ohne Verzögerung stattfindet.
Dies ist insbesondere bei einer Anwendung in Common-Rail Einspritzsystemen mit
variablem Raildruck von Vorteil.
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Eine
Verringerung der Masse des Aktorkopfes 4 im Vergleich zu
einem Vollmaterialdesign durch die Ausnehmung 30 wird im
wesentlichen nur durch die in Abhängigkeit von unterschiedlichen
Anwendungsfällen
nötige
mechanische Festigkeit und damit durch die erforderlichen verbleibenden
Wandstärken im
Bereich der Ausnehmung 30 beschränkt.
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Wichtig
ist hervorzuheben, dass der erfindungsgemäße Aktorkopf 4 aufgrund
der geringen Anforderungen an Maßtoleranzen und Oberflächengüte der im
Vergleich zum Vollmaterialdesign zusätzlich erzeugten Oberflächen der
Ausnehmung bzw. des Hohlraumes hinsicht lich der Herstellungskosten im
Vergleich zum konventionellen Vollmaterialdesign praktisch neutral
ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Aktorkopfes 4 ergibt
sich bei hohen Piezoaktorhüben,
also in Verbindung mit langen Piezoaktoren und/oder in Verbindung
mit steilen Ansteuergradienten.