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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet von Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus der
DE 103 36 327 A1 ist ein Injektor für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden Dieselmotoren, bekannt. Der bekannte Injektor besitzt einen in einem Injektorkörper angeordneten Piezoaktor, der durch eine Druckfeder einerseits mit dem Injektor, andererseits mit einem hülsenartigen Übersetzerkolben in Anlage gehalten wird. Durch den von der Druckfeder über den Übersetzerkolben auf den Piezoaktor wirkenden Druck wird der Piezoaktor dabei an seiner Oberseite gegen den Injektorkörper abgedichtet. Dadurch kann ein elektrischer Anschluss durch eine abgewinkelte Bohrung aus dem Injektorkörper herausgeführt werden.
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Der aus der
DE 103 36 327 A1 bekannte Injektor hat den Nachteil, dass über die abgewinkelte Bohrung ein Medium zu den elektrischen Anschlüssen des Piezoaktors gelangen kann. Beispielsweise kann Wasser in die Bohrung eindringen. Hierbei besteht das Problem, dass der elektrische Anschluss auf geeignete Weise zu dem Piezoaktor geführt werden muss. Hierdurch kann beispielsweise Wasser zu dem Piezoaktor vordringen oder im Bereich des elektrischen Anschlusses einen Kurzschluss verursachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 13 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine elektrische Anbindung verbessert ist. Speziell besteht der Vorteil, dass ein Eindringen von Wasser oder anderen Medien in den piezoelektrischen Aktor oder das Auftreten eines Kurzschlusses im Bereich der elektrischen Leitung verhindert ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 13 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Vorteilhaft ist es, dass die Dichtbuchse an ihrer Innenseite zumindest eine Stufe aufweist und dass die Isolierung die elektrische Leitung zumindest im Wesentlichen bis zu der Stufe der Dichtbuchse umhüllt. Hierdurch ist eine zuverlässige Montage, insbesondere eine zuverlässige Montage der elektrischen Leitung in der Dichtbuchse, ermöglicht. Hierbei kann zwischen der von der Isolierung umhüllten elektrischen Leitung und der Dichtbuchse ein gewisser Formschluss gebildet werden. Hierdurch wird eine Verbindung zwischen der Dichtbuchse und der elektrischen Leitung weiter verbessert.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die Dichtmasse zumindest im Wesentlichen zwischen der Isolierung, die die elektrische Leitung umhüllt, und der Innenseite der Dichtbuchse vorgesehen ist. Hierdurch wird bereits vor der freiliegenden elektrischen Leitung eine zuverlässige Abdichtung geschaffen, die ein Vordringen eines Mediums verhindert.
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Vorteilhaft ist es hierbei ferner, dass die Dichtmasse zumindest teilweise an der Innenseite der Dichtbuchse und/oder zumindest teilweise an der Isolierung anhaftet. Hierbei kann gegebenenfalls eine Oberflächenbehandlung oder Oberflächenaktivierung an der Innenseite der Dichtbuchse und/oder an der Isolierung durchgeführt werden. Hierdurch kann die erforderliche Dichtheit über die Lebensdauer sichergestellt werden. Die Isolierung kann beispielsweise als Kunststoffisolierung ausgebildet sein.
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Je nach Anwendungsfall muss die Dichtmasse die Anforderungen an Bauteile innerhalb eines Brennstoffeinspritzventils oder dergleichen erfüllen. Beispielsweise muss eine hohe Temperaturbeständigkeit gewährleistet sein und ein hohes Dehnvermögen bestehen, um Temperaturdehnungen auszugleichen. Ferner ist eine hohe Schwingungsfestigkeit der Dichtmasse von Vorteil. Außerdem besteht vorzugsweise ein hohes Dicht- oder Klebevermögen, insbesondere in Verbindung mit den Werkstoffen der Dichtbuchse, die aus einem Silikonkautschuk gefertigt sein kann, und der Isolierung der elektrischen Leitung, die aus einem Polymer gebildet sein kann. Ferner ist eine Medienbeständigkeit gegenüber Wasser, Waschmittel, was bei einer Motorwäsche oder dergleichen eindringen kann, Salz und eventuell Motoröl von Vorteil. In vorteilhafter Weise ist die Dichtmasse auf der Basis zumindest eines Klebstoffs und/oder auf der Basis zumindest eines Silikons und/oder auf der Basis zumindest eines Fetts gebildet. Beispielsweise kann die Dichtmasse auf der Basis zumindest eines Anti-Kapillar-Fetts gebildet sein. Somit können die jeweiligen Anforderungen durch eine geeignete Wahl des Dichtmittels erfüllt werden.
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Vorteilhaft ist es, dass die Dichtmasse als zumindest teilweise ausgehärtete Dichtmasse ausgebildet ist. Hierbei kann in den abzudichtenden Bereich bei der Montage eine viskose Dichtmasse eingebracht werden. Diese kann durch ein geeignetes Härtungsverfahren ganz oder teilweise ausgehärtet werden. Durch eine angepasste Prozessführung bei der Herstellung wird sichergestellt, dass ein gegebenenfalls vorgesehener Spalt einschließlich eventuell vorhandener Unstetigkeiten, insbesondere Riefen, blasenfrei verfüllt wird. Die Aushärtung kann je nach verwendetem Material für die Dichtmasse durch Wärme, Luftabschluss, UV-Strahlung oder ein anderes Aushärteverfahren erfolgen.
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In vorteilhafter Weise kann alternativ oder zusätzlich zu einer bei der Montage der viskosen Dichtmasse auch eine vorgeformte Dichtmasse zum Einsatz kommen. Hierbei können in Bezug auf die geometrische Ausbildung der Dichtgeometrie in vorteilhafter Weise aufschmelzende Klebstoffe zum Ausgestalten der Dichtmasse zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist auch der Einsatz vorkonfektionierter Klebebänder. Somit kann je nach den Eigenschaften des abzudichtenden Mediums, beispielsweise Wasser, Öl, Diesel oder dergleichen, der Dichtgeometrie, beispielsweise möglicher Fügerichtung, Spalt oder Bauteiltoleranzen, sowie den Anforderungen des Fertigungsprozesses, insbesondere Taktzeit, ein geeignetes Ausgangsmaterial für die Dichtmasse gewählt werden.
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In vorteilhafter Weise ist die Dichtmasse medienbeständig ausgestaltet, wobei insbesondere eine Beständigkeit gegenüber Wasser und/oder Öl und/oder Diesel und/oder Fettsäure-Methylester besteht. Speziell kann eine Medienbeständigkeit gegenüber Raps-Methylester oder anderen Fettsäure-Methylestern bestehen.
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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 Aktor in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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2 eine Dichtbuchse mit einer elektrischen Leitung des in 1 dargestellten piezoelektrischen Aktors in einer auszugsweisen Darstellung während der Montage.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel. Der piezoelektrische Aktor 2 ist als Aktormodul 2 beziehungsweise Piezoaktormodul 2 ausgestaltet. 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. 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 Düsenkörper 4 auf. Innerhalb des Ventilgehäuses 3 ist ein Aktorraum 5 ausgebildet, durch den im Betrieb Brennstoff zu einem Brennstoffraum 6, der im Düsenkörper 4 ausgebildet ist, fließt. An dem Düsenkörper 4 ist eine Ventilsitzfläche 7 ausgestaltet, die mit einem einstückig mit einer Ventilnadel 8 ausgebildeten Ventilschließkörper 9 zu einem Dichtsitz zusammen wirkt. Hierbei ist durch den piezoelektrischen Aktor 2 eine Betätigung der Ventilnadel 8 möglich, wie es durch den Doppelpfeil 10 veranschaulicht ist. Beim Betätigen der Ventilnadel 8 hebt sich der Ventilschließkörper 9 von der Ventilsitzfläche 7 ab, so dass Brennstoff aus dem Brennstoffraum 6 über eine Düsenöffnung 11 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
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Der piezoelektrische Aktor 2 ist in das Ventilgehäuse 3 eingesetzt. Hierbei weist der piezoelektrische Aktor 2 ein Übergangsstück 2, nämlich einen metallischen Aktorfuß 12, auf. Zwischen dem Aktorfuß 12 und dem Ventilgehäuse 3 ist ein Dichtring 13 angeordnet.
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Der piezoelektrische Aktor 2 weist außerdem einen Aktorkörper 14 mit einer Vielzahl von keramischen Schichten und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten angeordneten Elektrodenschichten auf. An einer Außenseite des Aktorkörpers 14 sind Außenelektroden 15, 16 angebracht, die mit elektrischen Leitungen 17, 18 verbunden sind. Über die elektrischen Leitungen 17, 18 kann der Aktorkörper 14 ge- und entladen werden.
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Der Aktorkörper 14 ist zwischen dem Aktorfuß 12 und einem Aktorkopf 19 angeordnet. Ferner ist eine Dichthülse 20 vorgesehen, die einerseits mit dem Aktorfuß 12 und andererseits mit dem Aktorkopf 19 verbunden ist. Durch die Dichthülse 20 ist der Aktorkörper 14 gegenüber dem im Aktorraum 5 vorgesehenen Brennstoff abgedichtet.
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Die elektrischen Leitungen 17, 18 können beispielsweise jeweils aus einem Kupferdraht gebildet sein. Hierbei sind die elektrischen Leitungen 17, 18 abschnittsweise mit Isolierungen 21, 22 ummantelt. Die Isolierungen 21, 22 können beispielsweise als Kunststoffummantelungen ausgestaltet sein.
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Der Aktorfuß 12 weist zumindest abschnittsweise konisch ausgestaltete Durchgangsbohrungen 23, 24 auf, die Kabeldurchführungen 23, 24 bilden. In die Durchgangsbohrungen 23, 24 sind Dichtbuchsen 25, 26 eingesetzt. Die Dichtbuchsen 25, 26 können beispielsweise auf einem Gummi oder einem Kunststoff basieren. Durch die Dichtbuchsen 25, 26 ist eine Abdichtung der Durchgangsbohrungen 23, 24 gegenüber der Umgebung gewährleistet. Somit ist der Aktorkörper 14 insbesondere gegenüber einer Seite, an der ein Element 27 an den Aktorfuß 12 angefügt ist, gegen das Eindringen von Medien geschützt. Allerdings besteht das Problem, dass solche Medien gegebenenfalls entlang der elektrischen Leitungen 17, 18 in die Dichtbuchsen 25, 26 eindringen.
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Um eine Verschiebbarkeit der Dichtbuchsen 25, 26 zu verhindern, ist in die Durchgangsbohrungen 23, 24 durch Einspritzen von Kunststoff 28, 29 arretiert. Hierdurch kommt es zu einer Verpressung der Dichtbuchsen 25, 26, so dass diese entsprechend einem O-Ring eine zuverlässige Abdichtung gewährleisten. Um einen Kurzschluss zwischen den elektrischen Leitungen 17, 18 in Bezug auf den metallischen Aktorfuß 12 zu verhindern, sind die Isolierungen 21, 22 abschnittsweise in die Dichtbuchsen 25, 26 eingeschoben.
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Im Betrieb kann es auf Grund von Temperaturdehnungen und dergleichen zu plastischen Verformungen der Isolierungen 21, 22 und somit zu einer Spaltbildungen zwischen den Dichtbuchsen 25, 26 und der jeweiligen Isolierung 21, 22 kommen. Hierbei besteht das Problem, dass durch diesen Spalt wieder Wasser oder ein anderes Medium eindringen kann, so dass es dennoch zu einem Kurzschluss zwischen den elektrischen Leitungen in Bezug auf den Aktorfuß 12 kommen kann. Das Wasser kann beispielsweise über eine Umspritzung des piezoelektrischen Aktors 2 eindringen und in Bohrungen und dergleichen des Elements 27 oder anderer Bauteile stehen.
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Um auch bezüglich dieses Problems eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten, sind Dichtmassen 30, 31 vorgesehen. Diese Dichtmassen 30, 31 verhindern zumindest abschnittsweise eine Spaltbildung zwischen den Dichtbuchsen 25, 26 und den elektrischen Leitungen 17, 18 beziehungsweise den Isolierungen 21, 22.
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Dadurch ist eine optimierte Abdichtung geschaffen, so dass im Bereich des Aktorfuß 12 anstehende Feuchtigkeit aus Wasser oder anderen Medien zu keinem Kurzschluss und somit zu keinem Ausfall des Brennstoffeinspritzventils 1 führt.
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Die Ausgestaltung dieser Abdichtung ist im Folgenden auch unter Bezugnahme auf die 2 im weiteren Detail beschrieben.
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2 zeigt die Dichtbuchse 25 und die elektrische Leitung 17 des piezoelektrischen Aktors 2 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung während der Montage. Hierbei wird die Ausgestaltung der Abdichtung des piezoelektrischen Aktors 2 des Ausführungsbeispiels weiter veranschaulicht.
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Die elektrische Leitung 17 ist abschnittsweise mit der Isolierung 22 umhüllt. Die Dichtmasse 30 wird im Bereich eines vorderen Endes 32 auf die Isolierung 22 aufgebracht.
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Die Dichtbuchse 25 weist eine Innenseite 35 auf. Hierbei ist an der Innenseite 35 eine Stufe 36 durch eine Anschrägung 36 gebildet. Die konische Stufe 36 kann beispielsweise einen Öffnungswinkel 37 von 90° aufweisen. Die Stufe 36 teilt die Innenseite 35 in einen Bereich 38 mit vergrößertem Durchmesser und einen Bereich 39 mit verringertem und sich entlang einer Längsachse 40 verkleinernden Durchmesser. Der Bereich 39 ist beispielsweise konisch ausgestaltet.
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Ein Durchmesser des konischen Bereichs 39 ist dabei zumindest abschnittsweise kleiner als ein Durchmesser der elektrischen Leitung 17. Beim Einfügen der elektrischen Leitung 17 in die Dichtbuchse 25 weitet sich dadurch der Bereich 39 zumindest abschnittsweise etwas auf, so dass eine zuverlässige Dichtwirkung erzeugt wird. Hierbei wird eine Stirnseite 41 des vorderen Endes 32 der Isolierung 22 vorzugsweise bis zu der Stufe 36 in die Dichtbuchse 25 eingefügt. Die Stirnseite 41 stößt dann an der Stufe 36 an. Hierbei gelangt die auf die Isolierung 22 aufgebrachte Dichtmasse 30 zwischen die Isolierung 22 und den Bereich 38 der Innenseite 35.
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Möglich ist es auch, dass zusätzlich oder alternativ die Dichtmasse 30 beziehungsweise ein Teil der Dichtmasse 30 im Bereich 38 auf die Innenseite 35 der Dichtbuchse 25 aufgebracht wird.
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Anschließend wird die Dichtbuchse 25 zusammen mit der in die Dichtbuchse 25 eingesetzten elektrischen Leitung 17 mit der Isolierung 22 in die Durchgangsbohrung 23 des Aktorfußes 12 eingepresst. Dadurch kommt es zu einer Verpressung der Dichtbuchse 25 und zu einer weiteren Verstärkung der Dichtwirkung. Somit kann eine zusätzliche Abdichtung einer möglichen Kriechstrecke erfolgen. Somit bleibt auch bei plastischen Verformungen der Isolierung 22, die durch hohe Temperaturen oder andere Einwirkungen bedingt sein kann, eine zuverlässige Abdichtung gewährleistet.
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Falls im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 beispielsweise Wasser über eine Umspritzung des piezoelektrischen Aktors 2 bis zu der Dichtbuchse 25 vordringt, dann wird ein weiteres Eindringen des Wassers zwischen die Dichtbuchse und die Isolierung 22 auf Grund der Dichtmasse 30 verhindert. Die Kriechstrecke zwischen der Dichtbuchse 25 und der Isolierung 22 der elektrischen Leitung 17 wird durch die Dichtmasse 30 verschlossen, so dass kein Kurzschluss in Bezug auf den Aktorfuß 12 oder dergleichen auftreten kann.
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Die Dichtmassen 30, 31 können auf der Basis zumindest eines Klebstoffs ausgebildet sein. Möglich ist auch die Ausbildung auf der Basis eines Silikons. Ferner können die Dichtmassen 30, 31 auf der Basis eines Fetts, insbesondere eines Anti-Kapillar-Fetts gebildet sein. Solche im Ausgangszustand viskosen Dichtmassen können in vorteilhafter Weise auf die Isolierungen 21, 22 und/oder in die Dichtbuchsen 25, 26 eingebracht werden. Hierbei kann gegebenenfalls ein Aushärten der Dichtmassen 30, 31 im eingefügten Zustand der Isolierungen 21, 22 erfolgen.
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Möglich ist es auch, dass die Dichtmassen 30, 31 aus vorkonfektionierten Klebebändern ausgebildet sind. Ferner können die Dichtmassen 30, 31 auch aus aufgeschmolzenen Klebstoffen gebildet sein.
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Somit kann eine Medienbeständigkeit in Bezug auf den jeweiligen Einsatz des piezoelektrischen Aktors 2 erreicht werden. Insbesondere kann bei einem Einsatz des piezoelektrischen Aktors 2 bei einem Brennstoffeinspritzventil 1 eine Beständigkeit gegenüber Wasser, Öl, Diesel und Raps-Methylester oder anderen Fettsäure-Methylestern gewährleistet sein.
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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 10336327 A1 [0002, 0003]
