DE102009026533A1

DE102009026533A1 - Piezoaktormodul und Piezoinjektor

Info

Publication number: DE102009026533A1
Application number: DE102009026533A
Authority: DE
Inventors: Bjoern Noack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-28
Filing date: 2009-05-28
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Es wird ein Piezoaktormodul (3) beschrieben, welches zumindest einen Aktorfuß (5) und einen Aktorkopf (4) und mindestens einen dazwischen eingefassten Piezoaktor (20) aufweist und ein mit dem Piezoaktormodul (3) zur Abfuhr von Wärme (Q) mit einer ersten Seite (34) thermisch leitend verbundenes Peltierelement (30) umfasst, das mit einer zweiten Seite (35) eine thermisch leitende Anbindung an ein zumindest zeitweilig strömendes Medium zur Abgabe der von dem Piezoaktormodul (3) abgeführten Wärme (Q) aufweist. Außerdem wird ein Piezoinjektor (1) mit einem Haltekörper (2) und einem in dem Haltekörper (2) angeordneten Piezoaktormodul (3) beschrieben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Piezoaktormodul nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einen Piezoinjektor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 10.
Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau eines zuvor erwähnten Piezoaktors Piezoelemente so eingesetzt werden, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubs eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Die Piezoelemente sind aus Piezolagen bestehend 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.
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.
In Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung stellt die mechanische Reaktion einen Druck in eine vorgebbare Richtung dar. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Piezoaktoren werden beispielsweise in Piezoinjektoren eingesetzt, welche zur zeitpunkt- und mengengenauen Dosierung von Kraftstoff in periodisch arbeitenden Verbrennungsmotoren verwendet werden.
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, sodass durch Anlegen oder Weg nahme einer Spannung an die Piezoelemente eine Düsenöffnung freigegeben oder verschlossen wird. Das auch als Aktorkopf und Aktorfuß bezeichnete Kopf- und Fußteil ist jeweils an gegenüberliegenden Stirnflächen des Piezoaktors angeordnet.
Solche Piezoinjektoren sind beispielsweise aus der DE 103 53 169 A1 , aus der DE 10 2006 045 663 A1 und aus der DE 10 2007 047 426 A1 bekannt.
Beispielsweise bei Common Rail Systemen, in denen derartige Piezoinjektoren unter anderem auch eingesetzt werden, ist bekannt Kraftstoffkühler einzusetzen, um die Temperatur des Kraftstoffs im System auf einem für die Komponenten verträglichen Niveau zu halten. Dabei muss die Temperatur des Kraftstoffs zumindest dem für die Komponenten verträglichen Niveau entsprechen, vorzugsweise sogar unter dieses Niveau abgesenkt werden.
Die Auslegung des Kraftstoffkühlers erfolgt dabei klassischerweise anhand der maximal zulässigen Eingangstemperatur der Hochdruckpumpe.
Nachteilig an derartigen Kraftstoffkühlern sind zum einen deren hohe Kosten, der zu deren Einbau benötigte Bauraum, sowie die durch sie verursachten Druckverluste im strömenden Kraftstoff. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die aufgrund der Absenkung der Temperatur höhere, bis zur für die Verbrennung im Brennraum erforderliche Verdampfung nötige Enthalpie.
Mit steigendem Einspritzdruck entstehen außerdem weitere Problempunkte, so zum Beispiel die Injektortemperatur bei Entspannen des Kraftstoffes in den Brennraum und das Rücklaufsystem. Kritischstes Bauteil beim Piezoinjektor in Bezug auf Temperatur ist dabei der Piezoaktor bzw. das den Piezoaktor umfassende Piezoaktormodul. Hier ist außerdem bekannt, dass gerade die zur Ansteuerung des Piezoaktors benötigte Ansteuerspannung einen erheblichen Wärmeeintrag in den Piezoaktor und damit in das Piezoaktormodul verursacht und damit erheblichen Einfluss nimmt.
Offenbarung der Erfindung
Ein erster Gegenstand der Erfindung geht aus von einem Piezoaktormodul mit einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und mindestens einem dazwischen eingefassten Piezoaktor. Das erfindungsgemäße Piezoaktormodul zeichnet sich durch mindestens ein Peltierelement aus, das mit einer ersten, beim Anlegen einer Spannung an das Peltierelement wärmeaufnehmenden Seite mit dem Piezoaktormodul zur Abfuhr dessen Wärme thermisch leitend verbunden ist, und das mit einer zweiten, beim Anlegen einer Spannung an das Peltierelement wärmeabgebenden Seite eine thermisch leitende Anbindung an ein fließfähiges, beispielsweise im Betrieb des Piezoaktormoduls zumindest zeitweilig strömendes Medium, vorzugsweise einem Kraftstoff, zur Abgabe der von dem Piezoaktormodul abgeführten Wärme aufweist.
Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich unter anderem durch einen effizienten Schutz des Piezoaktors bzw. Piezoaktormoduls eines Piezoinjektors vor thermischer Überlast. Im Gegensatz zu bekannten Kraftstoffkühlern, welche global die Systemtemperaturen senken, wird bei der Erfindung lediglich das kritische Bauteil Piezoaktor bzw. Piezoaktormodul mittels des Peltierelements gekühlt. Das Peltierelement ist im Gegensatz zu einer Kühlung durch Wärmeübertragung, etwa durch eine direkte Umströmung beispielsweise durch den Kraftstoff, oder durch Wärmeleitung über andere Bauteile hinweg in der Lage, Wärme von einem niedrigeren Temperaturniveau abzuführen und einem höheren Temperaturniveau zuzuführen.
Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik liegen im Entfall konventioneller Kraftstoffkühler und deren Nachteile sowie der Möglichkeit, bereits vorhandene elektrische Anschlüsse des Piezoinjektors zum Motorsteuergerät zur Spannungsversorgung des Peltierelements zu nutzen.
Das Peltierelement kann beispielsweise im Bereich einer Vergussmasse mit dem Piezoaktormodul thermisch leitend verbunden sein.
Beispielsweise kann diese Vergussmasse Teil einer Schutzummantelung des Piezoaktormoduls sein.
Vorzugsweise ist das Piezoaktormodul zur von dem Medium zumindest teilweise umströmten Anordnung vorgesehen, bei der das Piezoaktormodul zumindest teilweise von dem Medium umströmt wird.
Besonders bevorzugt ist das Peltierelement im Bereich des Piezoaktors mit dem Piezoaktormodul thermisch leitend verbunden.
Das Peltierelement kann beispielsweise mit der zweiten Seite an einen von dem Medium zumindest zeitweilig durchströmten Rücklauf zur Abgabe der von dem Piezoaktormodul abgeführten Wärme an das den Rücklauf durchströmende Medium thermisch leitend angebunden sein.
Bei dem Rücklauf kann es sich um den Injektorrücklauf eines Piezoinjektors handeln.
Vorzugsweise ist der sich aus der Abfuhr der Wärme ergebende Wärmestrom so bemessen, dass er den Wärmeeintrag von einem das Piezoaktormodul in Betrieb in ei nem Piezoinjektor umgebenden Haltekörper in das Piezoaktormodul sowie die elektrische Verlustleistung des Piezoaktormoduls auf eine vorgegebene, unkritische Temperatur kompensiert.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Piezoaktormoduls sieht vor, dass das Peltierelement, das zur Wärmeabfuhr eine elektrische Spannung benötigt, mit einer elektrischen Spannungsversorgung zur Ansteuerung des Piezoaktors verbunden ist.
Ein zweiter 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.
Der erfindungsgemäße Piezoinjektor erlaubt es, die Vorteile des erfindungsgemäßen Piezoaktormoduls zu nutzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Piezoinjektors in einem Längsschnitt.
2 eine schematische Darstellung eines Peltierelements und dessen Funktion.
3 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Ausschnitts eines Längsschnitts eines Piezoaktormoduls in einem Piezoinjektor.
Weg zur Ausführung der Erfindung
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 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 me chanische 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.
2 zeigt ein Peltierelement 30. Bei dem Peltierelement 30 handelt es sich um einen elektrothermischen Wandler, der basierend auf dem Peltiereffekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt.
Das Peltierelement 30 besteht im Wesentlichen aus zwei an zwei Kontaktstellen 34, 35 miteinander in Kontakt stehenden Halbleitern 31, 32, die ein unterschiedliches Energieniveau ihrer Leitungsbänder besitzen. Beispielsweise weisen p-leitende Halbleiter 31 und n-leitende Halbleiter 32 geeignete unterschiedliche Energieniveaus auf. Die elektrische Verbindung zwischen den Halbleitern 31, 32 ist schematisch durch eine Brücke 36 an der ersten Kontaktstelle 34 dargestellt. Elektrische Anschlüsse 37, 38 an den mit der zweiten Kontaktstelle 35 in Kontakt stehenden Enden der Halbleiter 31, 32 dienen der elektrischen Verbindung mit einer elektrischen Strom- bzw. Spannungsversorgung.
Damit durch Anlegen einer elektrischen Spannung U ein elektrischer Strom I, angedeutet durch den Pfeil 33, durch die zwei hintereinander liegende Kontaktstellen 34, 35 der Halbleiter 31, 32 fließen kann, muss an der einen Kontaktstelle 34 Wärme aufgenommen werden, damit die Elektronen aus dem niedereren Leitungsband des Halbleiters 31 kommend in das energetisch höhere Leitungsband des Halbleiters 32 gelangen können. Dadurch kommt es zu einer Abkühlung bzw. Aufnahme von Wärme an der ersten Kontaktstelle 34. An der zweiten Kontaktstelle 35 fallen die Elektronen von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, wodurch es an der zweiten Kontaktstelle 35 zu einer Erwärmung bzw. Abgabe von Wärme kommt.
Aus der Aufnahme der Wärme an der ersten Kontaktstelle 34 und der Abgabe der Wärme der zweiten Kontaktstelle 35 ergibt sich ein durch den Pfeil 39 angedeuteter Wärmestrom Q zwischen der ersten Kontaktstelle 34 und der zweiten Kontaktstelle 35. Dieser Wärmestrom Q kann entgegen den aus der Wärmeleitung, dem Wärmeübergang und der Wärmestrahlung bekannten Prinzipien von einem niedereren Temperaturniveau T1 zu einem höheren Temperaturniveau T2 fließen.
3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Piezoinjektors 1 mit einem einen Piezoaktor 20 umfassenden Piezoaktormodul 3. Das Piezoaktormodul 3 weist ein Peltiere lement 30 auf, das mit einer ersten, der beim Anlegen einer Spannung U an das Peltierelement 30 Wärme Q aufnehmenden ersten Kontaktstelle 34 entsprechenden Seite 34 mit dem Piezoaktormodul 3 zur Abfuhr dessen Wärme Q thermisch leitend verbunden ist, und das mit einer zweiten, der beim Anlegen einer Spannung U an das Peltierelement 30 Wärme Q abgebenden zweiten Kontaktstelle 35 entsprechenden Seite 35 eine thermisch leitende Anbindung an ein fließfähiges, beispielsweise im Betrieb des Piezoaktormoduls 3 zumindest zeitweilig strömendes Medium, vorzugsweise einem Kraftstoff, zur Abgabe der von dem Piezoaktormodul 3 abgeführten Wärme Q aufweist.
Erfindungsgemäß wird beispielsweise ein Peltierelement 30 bzw. ein aus Peltierelementen 30 bekanntes Halbleitermaterial 31, 32 auf der einen Seite 34 beispielsweise im Bereich einer Vergussmasse 42, vorzugsweise einer Vergussmasse 42 einer zumindest den Piezoaktor 20 umgebenden Schutzummantelung 44, mit dem Piezoaktormodul 3 thermisch leitend verbunden, die andere Seite 35 besitzt eine gut thermisch leitende Anbindung beispielsweise an einen von einem Medium, insbesondere Kraftstoff, zumindest zeitweilig durchströmten Injektorrücklauf 40.
Der Injektorrücklauf 40 kann beispielsweise mit dem in 1 dargestellten Raum 15 sein.
Wird dieser Halbleiter 31, 32 bzw. das Peltierelement 30 mit einer Spannungsquelle bzw. -versorgung verbunden, so transportiert der fließende Strom I Wärme Q vom Piezoaktormodul 3 in den Injektorrücklauf 40, selbst wenn dieser ein höheres Temperaturniveau besitzt. Dieser Wärmestrom Q ist vorzugsweise so bemessen, dass er den Wärmeeintrag vom umgebenden Injektorkörper 2, hier dem Haltekörper 2 des Piezoinjektors 1, in das Piezoaktormodul 3 sowie vorzugsweise auch dessen elektrische Verlustleistung, bzw. die des Piezoaktors 20, auf eine vorgebbare, unkritische Temperatur kompensiert.
Im Gegensatz zu bekannten Kraftstoffkühlern, welche global die Systemtemperaturen senken, wird so vorzugsweise lediglich das kritische Bauteil Piezoaktor 20 durch den Peltiereffekt gekühlt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10353169 A1 [0007]
- DE 102006045663 A1 [0007]
- DE 102007047426 A1 [0007]

Claims

Piezoaktormodul (3) zumindest umfassend einen Aktorfuß (5) und einen Aktorkopf (4) und mindestens einen dazwischen eingefassten Piezoaktor (20), gekennzeichnet durch mindestens ein mit dem Piezoaktormodul (3) zur Abfuhr von Wärme (Q) mit einer ersten Seite (34) thermisch leitend verbundenes Peltierelement (30), das mit einer zweiten Seite (35) eine thermisch leitende Anbindung an ein zumindest zeitweilig strömendes Medium zur Abgabe der von dem Piezoaktormodul (3) abgeführten Wärme (Q) aufweist.
Piezoaktormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (30) im Bereich einer Vergussmasse (42) mit dem Piezoaktormodul (3) thermisch leitend verbunden ist.
Piezoaktormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (42) Teil einer Schutzummantelung (44) des Piezoaktormoduls (3) ist.
Piezoaktormodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoaktormodul (3) zumindest teilweise von dem Medium umströmt wird.
Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (30) im Bereich des Piezoaktors (20) mit dem Piezoaktormodul (3) thermisch leitend verbunden ist.
Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (30) mit der zweiten Seite (35) an einen von dem Medium durchströmten Rücklauf (40) thermisch leitend angebunden ist.
Piezoaktormodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücklauf der Injektorrücklauf (40) eines Piezoinjektors (1) ist.
Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sich aus der Abfuhr der Wärme (Q) ergebende Wärmestrom (Q) so bemessen ist, dass er den Wärmeeintrag von einem das Piezoaktormodul (3) in Betrieb in einem Piezoinjektor (1) umgebenden Haltekörper (2) in das Piezoaktormodul (3) sowie die elektrische Verlustleistung des Piezoaktormoduls (3) auf eine vorgegebene Temperatur kompensiert.
Piezoaktormodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltierelement (30) mit einer elektrischen Spannungsversorgung zur Ansteuerung des Piezoaktors (20) verbunden ist.
Piezoinjektor (1) mit einem Haltekörper (2) und einem in dem Haltekörper (2) angeordneten Piezoaktormodul (3), gekennzeichnet durch ein Piezoaktormodul (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.