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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktormodul für
ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil
mit solch einem piezoelektrischen Aktormodul. Speziell betrifft
die Erfindung das Gebiet der Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 102 17 361
A1 ist ein piezoelektrisches Element und eine mit diesem
piezoelektrischem Element versehene Einspritzdüse bekannt. Das
bekannte piezoelektrische Element umfasst eine Keramikaufschichtung,
die abwechselnd übereinander gestapelt mehrere Keramikschichten
aus piezoelektrischer Keramik und mehrere Innenelektrodenschichten
enthält. Auf einem Teil der Oberfläche der Keramikaufschichtung
ist eine organische Isolationsschicht aus organischem Material ausgebildet.
Ferner ist auf der organischen Isolationsschicht eine anorganische
Isolationsschicht aus anorganischem Material ausgebildet. Dabei
hat die organische Isolationsschicht genügend Elastizität,
um die Auslenkung des piezoelektrischen Elements zu absorbieren.
Allerdings kann die organische Isolationsschicht den Feuchtigkeitsdurchgang
nicht aktiv unterbinden und lässt Feuchtigkeit hinein.
Allerdings unterbindet die anorganische Isolationsschicht den Feuchtigkeitsdurchgang,
wobei die anorganische Isolationsschicht jedoch keine Elastizität
hat.
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Das
aus der
DE 102 17
361 A1 bekannte piezoelektrische Element und die mit diesem
piezoelektrischen Element versehene Einspritzdüse haben den
Nachteil, dass die Ausgestaltung relativ aufwändig ist.
Ferner besteht das Problem, dass im Betrieb Brennstoff in die organische
Isolationsschicht eindringt, wodurch es zu Kurzschlüssen
zwischen den Innenelektrodenschichten kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße
Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben
den Vorteil, dass ein zuverlässiger Schutz gegenüber
Medien gewährleistet ist, und dass insbesondere eine hohe
Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit auch bei
hohen Drucken gewährleistet ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktormoduls und des im Anspruch 9 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise umgibt die Schutzschicht den Aktorkörper,
wobei durch die nanotechnische Behandlung die Funktion einer Barriere
erreicht ist. Speziell ermöglicht die als Barriereschicht
ausgestaltete Schutzschicht eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegenüber unter hohem Druck stehendem Brennstoff, beispielsweise
Dieselbrennstoff. Die nanotechnisch behandelte Schutzschicht kann
dabei so ausgestaltet sein, dass Drucke von mehr als 200 MPa (2000
bar) von der Umgebung auf das piezoelektrische Aktormodul einwirken
können, ohne dass die Funktionsfähigkeit des piezoelektrischen
Aktormoduls beeinträchtigt ist. Die Schutzschicht gewährleistet
dabei die Funktion der Barriere, so dass teure mechanische Dichtelemente,
speziell in Bezug auf den Aktorkörper entfallen können.
Ferner besteht der Vorteil, dass das piezoelektrische Aktormodul
relativ kostengünstig hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, dass Schutzhülsen oder dergleichen, in die
der Aktorkörper zum Schutz gegen den Brennstoff eingesetzt
ist, entfallen können, so dass der Platzbedarf des piezoelektrischen
Aktormoduls reduziert ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Schutzschicht eine Außenfläche aufweist
und dass die Schutzschicht im Bereich der Außenfläche
eine durch die nanotechnische Behandlung erzeugte Struktur aufweist.
Insbesondere können in der Schutzschicht Nanokomposite,
insbesondere nanoskalige Mineralien, ausgebildet sein. Diese Nanokomposite
können von der Außenfläche der Schutzschicht
her durch die nanotechnische Behandlung in der Schutzschicht erzeugt
werden, so dass eine Schutzschicht resultiert, die teilweise durch
die nanotechnische Behandlung strukturverändert ist. Die
nanotechnische Behandlung kann allerdings auch so durchgeführt
werden, dass die gesamte Schutzschicht betroffen ist, so dass beispielsweise
in der gesamten Schutzschicht nanoskalige Mineralien ausgebildet
sind.
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In
vorteilhafter Weise kann die Schutzschicht direkt auf eine Oberfläche
des Aktorkörpers aufgebracht werden. Die Schutzschicht
bildet in diesem Fall ein Einschichtsystem, das kostengünstig
hergestellt werden kann.
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Die
Schutzschicht kann in vorteilhafter Weise als metallische und/oder
nicht metallische und/oder organische Schutzschicht ausgestaltet
sein. Die Wahl des Werkstoffes für die Schutzschicht ist
dabei an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst.
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In
vorteilhafter Weise ist ein auf eine Oberfläche aufgebrachtes
Schichtsystem vorgesehen, das die Schutzschicht umfasst, wobei die
Schutzschicht vorzugsweise eine außenliegende Schicht des Schichtsystems
bildet. Die Schutzschicht steht dabei direkt mit dem umgebenden
Medium in Kontakt, wobei die Schutzschicht eine Barriere in Bezug
auf die darunter liegenden Schichten des Schichtsystems darstellt.
Dadurch kann eine zuverlässige Abdichtung in Bezug auf
den Aktorkörper und gegebenenfalls weitere Elemente des
piezoelektrischen Aktormoduls erzielt werden. Außerdem
kann durch die Wahl der verschiedenen Schichten des Schichtsystems
eine optimierte Kombination der Werkstoffeigenschaften verschiedener
Werkstoffe des Schichtsystems erfolgen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass das Schichtsystem in Bezug auf den jeweiligen
Anwendungsfall eine oder mehrere weitere Schichten aufweist, die nanotechnisch
behandelt sind, so dass das Schichtsystem mehrere als Barriere wirkende
nanotechnisch behandelte Schichten aufweist. Dies hat den Vorteil, dass
eine höhere Sicherheit gewährleistet ist, beispielsweise
bei dem Ausfall einer nanotechnisch behandelten Schicht infolge
mechanischer Beschädigung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen
sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktormodul
in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 einen
Schnitt entlang der in 1 mit II bezeichneten Schnittlinie
durch ein piezoelektrisches Aktormodul entsprechend einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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3 den
in 2 dargestellten Schnitt entsprechend einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen
Aktor 2 entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere
als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter
Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht für
eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignet
sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1 und
auch für eine inverse Ansteuerung des piezoelektrischen
Aktors 2. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignen
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und
einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen Brennstoffeinlassstutzen 4 auf.
An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar,
um das Brennstoffeinspritzventil 1 über ein Common-Rail
oder direkt mit einer Hochdruckpumpe zu verbinden. Über
den Brennstoffeinlassstutzen 4 kann dann Brennstoff in
einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 eingeleitet werden, so dass sich im Betrieb
des Brennstoffeinspritzventils 1 Brennstoff in dem Aktorraum 5,
in dem auch der piezoelektrische Aktor 2 vorgesehen ist,
befindet. Der Aktorraum 5 ist durch ein Gehäuseteil 6 von
einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Brennstoffraum 7 getrennt. In dem Gehäuseteil 6 sind
dabei Durchlassöffnungen 8, 9 ausgestaltet,
um den über den Brennstoffeinlassstutzen 4 in
den Aktorraum 5 geführten Brennstoff in den Brennstoffraum 7 zu
leiten.
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Das
Ventilgehäuse 3 ist mit einem Ventilsitzkörper 10 verbunden,
an dem eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet ist.
Die Ventilsitzfläche 11 wirkt mit einem Ventilschließkörper 12 zu
einem Dichtsitz zusammen. Dabei ist der Ventilschließkörper 12 einstückig mit
einer Ventilnadel 15 ausgebildet, über die der Ventilschließkörper 12 mit
einer im Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden
ist. Dabei ist die Ventilnadel 15 durch das Gehäuseteil 6 entlang einer
Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt.
Ein Federelement 18, das einerseits an dem Gehäuseteil 6 und
andererseits an der Druckplatte 16 anliegt, beaufschlagt
den piezoelektrischen Aktor 2 mit einer Vorspannkraft,
wobei durch die Beaufschlagung außerdem die Ventilnadel 15 mittels
der Druckplatte 16 betätigt wird, so dass der
zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 gebildete Dichtsitz geschlossen
ist.
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Außerdem
weist das Ventilgehäuse 3 ein Anschlusselement 20 auf,
um das Anschließen einer elektrischen Zuleitung an das
Brennstoffeinspritzventil 1 zu ermöglichen. Die
elektrische Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische
Leitungen 21, 22 angeschlossen werden. Die elektrischen
Leitungen 21, 22 sind durch das Gehäuse 3 und
einen an einen Aktorkörper 23 des Aktors 2 angefügten
Aktorfuß 24 an den Aktorkörper 23 geführt.
An den Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktors 2 ist
ferner ein Aktorkopf 25 angefügt, über
den der Aktorkörper 23 entgegen der Kraft des
Federelements 18 auf die Druckplatte 16 einwirkt.
Der piezoelektrische Aktor 2 weist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel den Aktorkörper 23,
den Aktorfuß 24 und den Aktorkopf 25 auf,
so dass ein Aktormodul 19 gebildet ist.
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Das
Aktormodul 19 kann auch aus zwei oder mehr Aktorkörpern 23 aufgebaut
sein. Dabei können zwischen den einzelnen Aktorkörpern 23 Zwischenstücke
vorgesehen sein oder die einzelnen Aktorkörper 23 können
auch an ihren Stirnflächen miteinander verklebt werden.
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Der
Aktorkörper 23 des piezoelektrischen Aktors 2 weist
eine Vielzahl von keramischen Schichten 26, 27 und
eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 26, 27 angeordneten
Elektrodenschichten 28, 29 auf. Dabei sind in
der 1 zur Vereinfachung der Darstellung die keramischen
Schichten 26, 27 sowie die Elektrodenschichten 28, 29 gekennzeichnet.
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Der
Aktorkörper 23 weist innenliegende Elektroden 35, 36 auf,
wie es in den 2 und 3 gezeigt
ist. Die innenliegenden Elektroden 35, 36 sind
mit den elektrischen Leitungen 21, 22 verbunden.
Ferner sind die innenliegenden Elektroden 35, 36 abwechselnd
mit den Elektrodenschichten 28, 29 verbunden,
so dass alternierend positive und negative Elektroden zwischen den
keramischen Schichten 26, 27 vorgesehen sind.
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Über
die elektrischen Leitungen 21, 22 kann der piezoelektrische Aktor 2 geladen
werden, wobei sich dieser in Richtung der Achse 17 ausdehnt,
so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der
Ventilsitzfläche 11 ausgebildete Dichtsitz geöffnet wird.
Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 7 über
einen Ringspalt 30 und den geöffneten Dichtsitz.
Beim Entladen des piezoelektrischen Aktors 2 zieht sich
dieser wieder zusammen, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete Dichtsitz
wieder geschlossen ist.
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Der
Aktorkörper 23 weist eine Oberfläche 37 auf.
Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 befindet sich
im Aktorraum 5 unter hohem Druck stehender Brennstoff.
Der Druck des Brennstoffes kann beispielsweise größer
als 200 MPa (2000 bar) sein. Dabei besteht die Gefahr, dass Brennstoff
oder ein Bestandteil des Brennstoffs, insbesondere im Dieselbrennstoff
enthaltenes Wasser, zu der Oberfläche 37 des Aktorkörpers 23 gelangt.
Dadurch kann die Funktionsweise des piezoelektrischen Aktors 2 gestört sein,
beispielsweise durch einen Kurzschluss zwischen den Elektrodenschichten 28, 29.
Auf die Oberfläche 37 des Aktorkörpers 23 ist
eine Schutzschicht 40 aufgebracht. Die Schutzschicht 40 ist
dabei auch zumindest teilweise auf den Aktorfuß 24 und
zumindest teilweise auf den Aktorkopf 25 aufgebracht, so dass
der Aktorkörper 23 von der Schutzschicht 40 vollständig
umgeben ist. Die Schutzschicht 40 ist nanotechnisch behandelt,
wobei durch Nanokomposite spezielle nanoskalige Mineralien gebildet
sind. Diese nanoskaligen Mineralien haben die Wirkung, dass die
Schutzschicht 40 als Barriere gegenüber dem im Aktorraum 5 vorgesehenen,
unter hohem Druck stehenden Brennstoff wirkt. Die Schutzschicht 40 kann dabei
als metallische und/oder nicht metallische und/oder organische Schutzschicht 40 mit
entsprechender nanotechnischer Behandlung ausgeführt sein.
Die Schutzschicht 40 stellt dabei eine druck- und brennstoffresistente
Schutzschicht dar, so dass ein zuverlässiger Schutz des
Aktorkörpers 23 und somit die Funktionsfähigkeit
des piezoelektrischen Aktors 2 gewährleistet sind.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den in 1 dargestellten
piezoelektrischen Aktor 2 entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie.
Dabei sind die innenliegenden Elektroden 35, 36 dargestellt,
wobei die innenliegende Elektrode 35 mit der in 1 gezeigten elektrischen
Leitung 21 verbunden ist und die innenliegende Elektrode 36 mit
der elektrischen Leitung 22 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist ein auf die Oberfläche 37 des Aktorkörpers 23 aufgebrachtes
Schichtsystem 41 vorgesehen, das sich entsprechend dem
in der 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
auch jeweils zumindest teilweise auf den Aktorfuß 24 und
den Aktorkopf 25 erstreckt. Die Schutzschicht 40 ist
Teil des Schichtsystem 41, wobei die Schutzschicht 40 als
außenliegende Schicht 40 innerhalb des Schichtsystems 41 angeordnet
ist. Das Schichtsystem 41 weist zumindest eine weitere
Schicht 42 auf, die unter der Schutzschicht 40 vorgesehen
ist. Die Ausgestaltung des Schichtsystems 41 aus mehreren
Schichten 40, 42 hat den Vorteil, dass die Eigenschaften
verschiedener Materialien vorteilhaft miteinander kombiniert werden
können. Beispielsweise kann die Schicht 42 als
elastische Schicht ausgestaltet sein. Die Schichten 40, 42 des
Schichtsystems 41 können als metallische und/oder
nicht metallische und/oder organische Schichten 40, 42 ausgestaltet
sein, wobei beliebige Kombinationen in Bezug auf den jeweiligen
Anwendungsfall gewählt sein können.
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3 zeigt
den in 2 gezeigten Schnitt durch einen piezoelektrischen
Aktor 2 eines Brennstoffeinspritzventils 1 entsprechend
einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem
Ausführungsbeispiel ist das Schichtsystem 41 aus
der Schutzschicht 40 und zumindest einer weiteren Schicht 42 ausgebildet.
Die Schicht 42 ist dabei unmittelbar auf den Aktorkörper 23 geschichtet.
Die Schutzschicht 40 ist über die Schicht 42 geschichtet. Die
Schutzschicht 40 weist eine Außenfläche 43 auf, die
zugleich die Außenfläche 43 des Schichtsystems 41 darstellt.
Die Schutzschicht 40 ist von der Außenfläche 43 her
nanotechnisch behandelt, wobei sich die Wirkung der nanotechnischen
Behandlung nur teilweise in einer Strukturänderung in der
Schutzschicht 40 auswirkt. Dadurch weist die Schutzschicht 40 in
einer Teilschicht 44 im Bereich 45 der Außenfläche 43 eine
durch die nanotechnische Behandlung erzeugte Struktur auf, so dass
in dem Bereich 45, das heißt der Teilschicht 44,
durch Nanokomposite nanoskalige Mineralien ausgebildet sind. Die
Barrierewirkung der Schutzschicht 40 gegenüber
der Umgebung ergibt sich deshalb im Wesentlichen durch die Teilschicht 44 der
Schutzschicht 40. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil,
dass die Materialeigenschaften der Schutzschicht 40 bereichsweise
gezielt beeinflusst sind, um in ihrer Kombination eine vorteilhafte
Dichtwirkung zu erzeugen.
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Das
Schichtsystem 41 kann zumindest eine weitere Schicht, beispielsweise
die Schicht 42 aufweisen, die ebenfalls nanotechnisch behandelt
ist. Die weitere nanotechnisch behandelte Schicht 42 kann
dabei entsprechend der in 3 gezeigten Schutzschicht 40 teilweise
oder auch entsprechend der in 2 gezeigten
Schutzschicht 40 vollständig eine durch nanotechnische
Behandlung erzeugte Struktur aufweisen. Durch die Ausgestaltung
des Schichtsystems 41 mit mehreren Schichten 40, 42, die
nanotechnisch behandelt sind, können mehrere Barrieren
innerhalb des Schichtsystems 41 ausgebildet werden, so
dass bei einem ganz oder teilweisen Ausfall einer der Schichten 40, 42,
beispielsweise durch mechanische Einwirkung, weiterhin ein zuverlässiger
Schutz gegenüber das umgebende Medium gewährleistet
ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10217361
A1 [0002, 0003]