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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 bei der Herstellung oder im Betrieb
auftretende Öffnungen oder Risse in der anorganischen Isolationsschicht
ein Eindringen von Brennstoff in die organische Isolationsschicht
ermöglichen, 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 10 haben
den Vorteil, dass eine relativ kostengünstige Herstellung
ermöglicht ist, wobei ein zuverlässiger Schutz
gegenüber Medien gewährleistet ist, und dass insbesondere eine
hohe Zuverlässigkeit und Funktionsfähigkeit 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 10 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise kann das piezoelektrische Aktormodul in einen
Aktorraum im Inneren des Brennstoffeinspritzventils eingebaut sein,
wobei im Aktorraum unter hohem Druck stehender Brennstoff vorgesehen
ist. Durch die Schutzschicht ist gewährleistet, dass der
Aktorkörper 23 durch den Brennstoff, insbesondere
im Dieselbrennstoff enthaltenes Wasser oder andere polare Bestandteile,
weder angegriffen noch zerstört oder in seiner Funktion
beeinträchtigt wird.
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Das
piezoelektrische Aktormodul kann zwei oder mehr an den Stirnflächen
miteinander verbundene, insbesondere verklebte, Aktorkörper
aufweisen, die zusammen oder getrennt voneinander jeweils mit einer
Schutzschicht versehen sind.
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Dabei
kann die Schutzschicht in vorteilhafter Weise in ein Schichtsystem
aus mehreren Schichten integriert werden oder auch als Einzelschicht
den Aktorkörper umgeben.
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Vorteilhaft
ist es, dass das nicht vollständig vernetzte Material in
der Lage ist, ein eindringendes Medium durch chemische Reaktion
zu binden. Bei dem nicht vollständig vernetzten Material
kann, es sich um ein im Ausgangszustand noch nicht oder nur teilweise
vernetztes Material handeln, das vorzugsweise polymerer Natur ist.
Speziell kann das nicht vollständig vernetzte Material
eindringende Wassermoleküle, die in der Regel im Dieselbrennstoff
enthalten sind, binden. Ferner ist es vorteilhaft, dass das nicht
vollständig vernetzte Material eindringende Medien durch
additive Vernetzung unter Einbau der Moleküle des eindringenden
Mediums bindet. Im Unterschied zu einer physikalischen Adsorption,
bei der ein Wiederfreisetzen des eingedrungenen Mediums, beispielsweise
des Wassers, unter Temperatur- oder Druckwechsel möglich
ist, verhindert die chemische Bindung eine solche Wiederfreisetzung.
Speziell kann dadurch ein Weitertransport oder ein langsames Kriechen
des eingedrungenen Mediums zu dem Aktorkörper 23 hin
verhindert werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass die Schutzschicht optional zusätzlich
zumindest einen Füllstoff aufweist, der polare Medien chemisch
oder physikalisch zusätzlich bindet. Dadurch ergibt sich
eine vorteilhafte Ergänzung der Wirkung des nicht vollständig vernetzten
Materials der Schutzschicht.
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In
vorteilhafter Weise ist die Schutzschicht als Vergussmasse ausgestaltet,
die einen Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und einer
metallischen Aktorhülse auffüllt. Dies ermöglicht
auch einen Einsatz der Schutzschicht als Vergussmasse, so dass sich
ein weiter Anwendungsbereich ergibt.
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Ferner
kann die Schutzschicht von einer flexiblen, elastischen Schicht
umgeben sein, die den Aktorkörper zusätzlich gegenüber
mechanischer Belastung schützt. Eine solche flexible, elastische Schicht
kann insbesondere aus einem Polymer gebildet sein.
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Vorteilhaft
ist auch eine Ausgestaltung, bei der der Aktorkörper mit
einer Grundbeschichtung versehen ist, wobei die Schutzschicht den
mit der Grundbeschichtung versehenen Aktorkörper umgibt. Je
nach Ausgestaltung der Schutzschicht beziehungsweise des Schichtsystems,
das die Schutzschicht aufweist, kann das piezoelektrische Aktormodul
an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden, beispielsweise
auch für den Einsatz im Niederdruckbereich.
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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 zeigt
einen Schnitt durch das in der 1 dargestellte
Aktormodul des Brennstoffeinspritzventils des ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie;
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3 den
in 2 dargestellten Ausschnitt entsprechend einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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4 den
in 2 dargestellten Ausschnitt entsprechend einem
dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 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 kann 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 nur die keramischen Schichten 26, 27 sowie
die Elektrodenschichten 28, 29 gekennzeichnet.
Die Elektrodenschichten 28, 29 sind abwechselnd
mit der elektrischen Leitung 21 und der elektrischen Leitung 22 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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Die
weitere Ausgestaltung des Aktormoduls 19 mit dem piezoelektrischen
Aktor 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 des ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung ist anhand der 1 und 2 im
Detail weiter beschrieben. Auf einer Außenfläche 35 des Aktorkörpers 23 des
Aktormoduls 19 sind Außenelektroden 36, 37 vorgesehen,
die mit den elektrischen Leitungen 21, 22 verbunden
sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind, die
Elektrodenschichten 28, 29 daher über
Außenelektroden 36, 37 alternierend mit
den elektrischen Leitungen 21, 22 verbunden. Es
ist allerdings auch möglich, dass eine oder beide Außenelektroden 36 oder 37 als
innenliegende Elektroden ausgestaltet sind.
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Das
piezoelektrische Aktormodul 19 ist in dem Aktorraum 5 angeordnet,
in dem sich im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 Brennstoff
befindet. Deshalb besteht die Gefahr, dass die Funktionsfähigkeit
des Aktormoduls 19 gestört wird. Speziell kann es
zu einem Kurzschluss zwischen den Elektrodenschichten 28, 29 des
Aktorkörpers 23 kommen. Auf die Außenfläche 35 des
Aktorkörpers 23 ist deshalb eine Schutzschicht 38 aufgebracht,
die im Bereich der Außenelektroden 36, 37 auch
die Außenelektroden 36, 37 überdeckt.
Die Schutzschicht 38 umhüllt dabei neben dem Aktorkörper 23 zumindest
teilweise auch den Aktorfuß 24 und zumindest teilweise
auch den Aktorkopf 25, so dass eine Abdichtung auch in den Übergangsstellen
zwischen dem Aktorkörper 23 auf den Aktorfuß 24 beziehungsweise
den Aktorkopf 25 gewährleistet ist. Die Schutzschicht 38 weist
ein nicht vollständig vernetztes Material auf. Dabei ist
unter einem nicht vollständig vernetzten Material ein im Ausgangszustand
noch nicht oder nur teilweise vernetztes Material zu verstehen,
das vorzugsweise polymerer Natur ist. Ein gegebenenfalls in die
Schutzschicht 38 eindringendes Medium, insbesondere Wasser,
wird durch chemische Reaktor abgebunden, wobei es sich bei der chemischen
Reaktion vorzugsweise um eine additive Vernetzung unter Einbau der Moleküle
des eingedrungenen Mediums handelt. Somit wird ein Ein- oder Vordringen
des schädlichen Mediums zum Aktorkörper 23 verhindert.
Durch die chemische Bindung der Moleküle des eindringenden Mediums
in dem Material der Schutzschicht 38 wird im Unterschied
zu einer physikalischen Adsorption ein Wiederfreisetzen des Mediums
beziehungsweise seiner Bestandteile wie Wasser unter Temperatur- oder
Druckwechseln verhindert. In diesem Ausführungsbeispiel
bildet die Schutzschicht 38 ein Einzelschichtsystem, das
den Aktorkörper 23 umgibt.
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3 zeigt
den in 2 dargestellten Ausschnitt eines piezoelektrischen
Aktors 2 eines piezoelektrischen Aktormoduls 19 entsprechend
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die Schutzschicht 38 Teil
eines den Aktorkörper 23 umgebenden Mehrschichtsystems.
Hierbei ist die Schutzschicht 38 unmittelbar auf die Außenfläche 35 des
Aktorkörpers 23 aufgebracht, so dass diese den
Aktorkörper 23 unmittelbar umgibt. Ferner ist
der mit der Schutzschicht 38 ummantelte Aktorkörper 23 zusätzlich
mit einer flexiblen, elastischen Schicht 40 umgeben, die
beispielsweise aus einem Polymer gebildet ist. Durch die flexible,
elastische Schicht 40 ist die Widerstandsfähigkeit
des piezoelektrischen Aktormoduls 19, insbesondere gegenüber
mechanischer Einwirkung, weiter verbessert. Außerdem kann
die Schutzschicht 38 durch die flexible, elastische Schicht 40 vor
dem unmittelbaren Kontakt gegenüber Medien, insbesondere
Wasser, geschützt werden.
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4 zeigt
den in 2 dargestellten Ausschnitt eines piezoelektrischen
Aktormoduls 19 entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktorkörper 23 mit
einer Grundbeschichtung 41 versehen, die auch die Außenelektroden 36, 37 überdeckt.
Der mit der Grundbeschichtung 41 versehene Aktorkörper 23 ist
außerdem von der nicht vollständig vernetzten
Schutzschicht 38 umgeben. Ferner ist eine Aktorhülse 42 aus
einem Metall oder einer Metalllegierung vorgesehen, die den Aktorkörper 23 zusätzlich
umgibt. Ein zwischen dem Aktorkörper 23 und der
Aktorhülse 42 vorgesehener Zwischenraum 43 ist
mit der Schutzschicht 38 aufgefüllt. Die Schutzschicht 38 kann
dabei in Form einer Vergussmasse in den Zwischenraum 43 eingebracht
werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Schutzschicht 38 außerdem
zusätzliche Füllstoffe 44 auf, wobei
zur Vereinfachung der Darstellung nur ein Füllstoff 44 gekennzeichnet
ist. Die Füllstoffe 44 binden polare Medien wie
Ionen, Wasser, chemisch und/oder physikalisch. Durch die Füllstoffe 44 wird
somit die Funktion der Schutzschicht 38 zusätzlich
ergänzt.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10217361
A1 [0002, 0003]