DE102009046355A1

DE102009046355A1 - Piezoelektrische Aktor

Info

Publication number: DE102009046355A1
Application number: DE102009046355A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Jansen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-03
Filing date: 2009-11-03
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Ein piezoelektrischer Aktor (2), der insbesondere als Aktor für Brennstoffeinspritzventile dient, weist einen Aktorkörper (10) mit einer Vielzahl von keramischen Schichten (11) und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (11) angeordneten Elektrodenschichten (12) auf. Dabei ist der Aktorkörper (10) zumindest abschnittsweise von einer Dichthülle (16) umgeben. Ferner ist ein zwischen dem Aktorkörper (10) und der Dichthülle (16) gebildeter Zwischenraum (21) zumindest im Wesentlichen mit einem Gegendruckfluid (23) gefüllt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor und ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet von Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden oder gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
Aus der DE 101 33 151 A1 ist ein Bauteil bekannt, zu dem ein Piezoaktor und ein den Piezoaktor umgebendes Gehäuse gehört. An dem Gehäuse ist ein Bereich des Piezoaktors befestigt. Ferner ist das Gehäuse von anderen Bereichen des Bauelements durch mit einer vernetzten, Füllstoff enthaltenden Vergussmasse gefüllten Gießspalte getrennt. Hierbei sind die Abstände zwischen Gehäuse und Piezoaktor über die Gießspalte hinweg gering und die Vergussmasse hat einen relativ hohen Füllstoffgehalt. Hierbei sind die Abstände über die Gießspalte hinweg und der Füllstoffgehalt in der Vergussmasse im Hinblick auf eine festgelegte Wärmeabführung aufeinander abgestimmt. Beispielsweise sind die Abstände über die Gießspalte hinweg kleiner oder gleich 3 mm. Der Füllstoffgehalt kann bezogen auf das Gesamtgewicht der Vergussmasse zwischen etwa 20 und etwa 90 Gewichtsprozent liegen.
Das aus der DE 101 33 151 A1 bekannte Bauteil hat den Nachteil, dass durch die Vergussmasse und das Gehäuse die nutzbare Kraft und der Hub des Piezoaktors reduziert werden.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 12 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine Funktionsweise verbessert ist und insbesondere ein Einsatz des piezoelektrischen Aktors im Bereich eines mit Brennstoff gefüllten Raums auch bei hohen Drücken des Brennstoffs ermöglicht und eine gute Nutzbarkeit der Kraft und des Hubes des Aktorkörpers möglich ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 12 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Bei piezoelektrischen Aktoren, die für Brennstoffeinspritzventile zum Einsatz kommen, ist es vorteilhaft, wenn der Aktorkörper gegenüber einem Brennstoff abgedichtet ist. Dies ist speziell bei Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen mit einem Common-Rail oder bei Benzin-Hochdruck-Einspritzventilen von Vorteil. Hierbei ist die Abdichtung erforderlich, da die chemische Beständigkeit der Schichten des Aktorkörpers gegenüber dem Brennstoff nicht gegeben ist. Bei der Abdichtung muss zum einen eine hohe Beständigkeit gegenüber dem Brennstoffdruck gegeben sein und zum anderen eine ausreichende Verformbarkeit bestehen, um den Hub des Aktorkörpers auf einen Ventilschließkörper zu übertragen. Eine stabile Ausgestaltung der Kapselung des Aktors führt allerdings auch zu einer großen Steifigkeit, was der Nutzbarmachung der Kraft und des Hubes des Aktorkörpers entgegen steht.
Durch das in dem Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und der Dichthülle vorgesehene Gegendruckfluid kann sich innerhalb der Dichthülle ein Gegendruck zu dem Umgebungsdruck aufbauen. Hierdurch wird die Belastung der Dichthülle verringert. Dadurch kann die Dichthülle vergleichsweise dünnwandig ausgestaltet sein. Diese dünnwandige Ausgestaltung der Dichthülle ermöglicht wiederum einen verbesserten Ausgleich bei temperaturbedingten Volumenänderungen des Gegendruckfluids innerhalb der Dichthülle. Da das Gegendruckfluid von der Umgebung getrennt ist, bleibt dieses in Bezug auf die Schichten des Aktorkörpers chemisch verträglich.
Vorteilhaft ist es, dass das Gegendruckfluid zumindest teilweise in direktem Kontakt mit dem Aktorkörper ist, so dass der Aktorkörper zumindest teilweise von dem Gegendruckfluid umgeben ist. Hierdurch kann eine Beschichtung des Aktorkörpers an seiner Außenseite eingespart werden. Ferner wird ein vorteilhafter Temperaturübergang ermöglicht.
Vorteilhaft ist es auch, dass der Aktorkörper durch das in dem Zwischenraum vorgesehene Gegendruckfluid von der Dichthülle getrennt und beabstandet ist. Hierdurch wird zum einen eine mechanische Beschädigung der Dichthülle verhindert. Zum anderen wird ein vorteilhafter Ausgleich in Bezug auf Temperaturschwankungen ermöglicht.
In vorteilhafter Weise ist die Dichthülle als elastische Dichthülle ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Dichthülle aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist. Die Formgedächtnislegierung kann beispielsweise auf Nickel und Titan basieren. Als Formgedächtnismaterial kann somit Nickel-Titan (NiTi) oder eine andere Nickel und Titan enthaltene Legierung zum Einsatz kommen. Bei einer Formgedächtnislegierung besteht der Vorteil, dass durch einen pseudoplastischen Effekt sehr große Dehnungen ermöglicht werden. Speziell sind sehr große Dehnungen im Prozentbereich reversibel möglich, ohne dass es zu einer Schädigung des Materials der Dichthülle kommt. Hierdurch ist die Dichthülle in der Lage, Druck-, Temperatur- und Hubabhängige Änderungen des von ihr umgebenen Volumens auszugleichen. Dadurch ist sichergestellt, dass der Druck des Gegendruckfluids stets dem die Dichthülle umgebenden Umgebungsdruck, insbesondere dem Brennstoffdruck, entspricht.
Möglich ist es auch, dass die Dichthülle in vorteilhafter Weise als elastische Metallhülle ausgestaltet ist. Speziell ist es vorteilhaft, dass die Dichthülle aus einem Stahl gebildet ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Dichthülle zumindest teilweise ein in einer Längsrichtung verlaufendes Wellenprofil mit Längswellen und/oder ein zumindest teilweise in einer Umfangsrichtung verlaufendes Wellenprofil mit Querwellen aufweist. Die Längswellen ermöglichen hierbei eine radiale Verformung der Hülle und die Querwellen ermöglichen eine zumindest im Wesentlichen ungehinderte Realisierung des Hubs des Aktorkörpers. Somit kann zum einen eine Verformbarkeit in axialer Richtung und zum anderen eine Verformbarkeit in radialer Richtung erzielt werden. Somit können der Aktorhub ausgeführt und temperatur- oder druckbedingte Volumenänderungen des Gegendruckfluids kompensiert werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass zumindest ein an den Aktorkörper angefügtes Übergangsstück vorgesehen ist, dass die Dichthülle mit dem Übergangsstück verbunden ist und dass das Übergangsstück eine Befüllungsbohrung aufweist, die von einem Dichtelement verschlossen ist. Über die Befüllungsbohrung kann in vorteilhafter Weise bei der Montage ein Auffüllen des Zwischenraums mit dem Gegendruckfluid erfolgen. Hierbei wird der Zwischenraum vorzugsweise vollständig mit dem Gegendruckfluid aufgefüllt. Durch das Verschließen der Befüllungsbohrung mit dem Dichtelement ist die durch die Befüllungsbohrung gebildete Befüllungsöffnung dauerhaft gegen die Umgebung abgedichtet. Das Dichtelement kann beispielsweise als Dichtpfropf ausgestaltet sein.
Vorteilhaft ist es, dass zumindest ein mit der Dichthülle verbundenes Übergangsstück vorgesehen ist, dass ein hydraulischer Koppler vorgesehen ist, dass ein Element des hydraulischen Kopplers mit dem Übergangsstück verbunden ist und dass ein Kopplerraum des hydraulischen Kopplers mit dem Zwischenraum, in dem das Gegendruckfluid vorgesehen ist, verbunden ist und dass als Kopplerfluid das Gegendruckfluid dient. Hierdurch kann der hydraulische Koppler innerhalb der Dichthülle angeordnet sein und somit das Gegendruckfluid als Kopplerfluid genutzt werden. Hierdurch ist der hydraulische Koppler auch gegenüber chemischen oder anderen Einwirkungen aus der Umgebung geschützt.
Möglich ist es auch, dass in vorteilhafter Weise an den Aktorkörper zumindest ein Übergangsstück angefügt ist, wobei ein hydraulischer Koppler vorgesehen ist, wobei ein Element des hydraulischen Kopplers mit dem Übergangsstück verbunden ist und wobei ein Kopplerraum des hydraulischen Kopplers mit einer Umgebung verbunden ist und als Kopplerfluid ein den Aktor umgebendes Medium dient. Hierdurch kann der Koppler außerhalb der Dichthülle angeordnet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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:
1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 das in 1 auszugsweise dargestellte Brennstoffeinspritzventil des ersten Ausführungsbeispiels in einem verformten Zustand einer Dichthülle des piezoelektrischen Aktors;
3 das in 1 auszugsweise dargestellte Brennstoffeinspritzventil des ersten Ausführungsbeispiels bei einer weiteren Verformung der Dichthülle;
4 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
6 eine Dichthülle eines piezoelektrischen Aktors entsprechend einer möglichen Ausgestaltung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktor 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ferner eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschinen. 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 solche Brennstoffeinspritzventile 1. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und der erfindungsgemäße piezoelektrische Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 auf. In dem Ventilgehäuse 3 ist ein Aktorraum 4 ausgestaltet, in dem sich im Betrieb Brennstoff befindet.
Der piezoelektrische Aktor 2 ist in dem Aktorraum 4 des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet. Hierbei stützt sich der piezoelektrische Aktor 2 über ein Element 5 auf geeignete Weise an dem Ventilgehäuse 3 ab. In diesem Ausführungsbeispiel sind an den piezoelektrischen Aktor 2 Übergangsstücke 6, 7 angefügt. Das Übergangsstück 6 ist hierbei als Aktorfuß ausgestaltet, während das Übergangsstück 7 als Aktorkopf ausgestaltet ist. Das Element 5 ist mit dem Übergangsstück 6 verbunden. Außerdem ist eine Düsennadel 8 vorgesehen, die zum Abspritzen von Brennstoff beispielsweise in einer Richtung 9 von dem piezoelektrischen Aktor 2 betätigt wird. Hierbei wird ein Hub x des piezoelektrischen Aktors 2 in eine Bewegung der Düsennadel 8 umgesetzt.
Der piezoelektrische Aktor 2 weist einen Aktorkörper 10 mit einer Vielzahl von keramischen Schichten 11 und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 11 angeordneten Elektrodenschichten 12 auf. Hierbei sind die Elektrodenschichten 12 abwechselnd mit elektrischen Zuleitungen 13, 14 verbunden, um ein Laden und Entladen des Aktorkörpers 10 zu ermöglichen.
Der Aktorkörper 10 weist eine Querschnittsfläche auf, die in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig vorgegeben ist. Hierbei weist der Aktorkörper 10 einen Durchmesser 15 auf. Der Durchmesser 15 ist kleiner als ein Durchmesser der Übergangsstücke 6, 7.
Der piezoelektrische Aktor 2 weist eine Dichthülle 16 auf, die einerseits mit dem Übergangsstück 6 und andererseits mit dem Übergangsstück 7 verbunden ist. Hierbei ist die Dichthülle 16 vorzugsweise am Umfang und somit Durchmesser der Übergangsstücke 6, 7 mit den Übergangsstücken 6, 7 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Dichthülle 16 mit umlaufenden Schweißnähten 17, 18 oder anderen Verbindungen 17, 18, die dicht ausgestaltet sind, mit den Übergangsstücken 6, 7 verbunden.
Die Dichthülle 16 weist in dem in der 1 dargestellten Ausgangszustand in einem mittleren Bereich einen Durchmesser D₀ auf. Im Ausgangszustand hat die Dichthülle 16 hierbei entlang einer Längsachse 19 des piezoelektrischen Aktors 2 zumindest näherungsweise einen gleichbleibenden Durchmesser D₀.
Das Übergangsstück 7 weist eine Befüllungsbohrung 20 auf. Bei der Montage des piezoelektrischen Aktors 2 wird in einen Zwischenraum 21 zwischen einer Außenseite 22 des Aktorkörpers 10 und der Dichthülle 16 ein Gegendruckfluid 23 eingefüllt. Hierbei wird der Zwischenraum 21 und gegebenenfalls ein Teil der Befüllungsbohrung 20 möglichst vollständig mit dem Gegendruckfluid 23 aufgefüllt. Dann wird die Befüllungsbohrung 20 mit einem Dichtelement 24 verschlossen. Das Dichtelement 24 kann beispielsweise als Dichtpfropf ausgestaltet sein.
Die beiden Übergangsstücke 6, 7 können beispielsweise durch metallische Endplatten ausgestaltet sein, die an Stirnseiten des Aktorkörpers 10 angefügt sind. Durch die Verbindung der Dichthülle 16 mit den Übergangsstücken 6, 7 ist eine hermetische Abdichtung gegenüber der Umgebung, in diesem Ausführungsbeispiel gegenüber dem Aktorraum 4, gegeben. Somit wird im Betrieb zum einen ein Eindringen von Brennstoff in den Zwischenraum 21 und zum anderen ein Entweichen des Gegendruckfluids 23 aus dem Zwischenraum 21 verhindert. Hierbei kann das Dichtelement 24 mit dem metallischen Übergangsstück 7 verschweißt sein, so dass auch über die Befüllungsbohrung 20 kein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Zwischenraum 21 und somit dem Innenraum der Dichthülle 16 und der Umgebung mehr möglich ist. Die elektrischen Zuleitungen 13, 14 sind hierbei ebenfalls abgedichtet durch das Übergangsstück 6 geführt.
Das Gegendruckfluid 23 hat in diesem Ausführungsbeispiel direkten Kontakt mit dem Material des Aktorkörpers 10 und ist daher so gewählt, dass es zu keiner unerwünschten chemischen Reaktion kommen kann. Eine Isolierung, Abdichtung oder dergleichen gegenüber dem Gegendruckfluid 23 kann somit entfallen.
Der piezoelektrische Aktor 2 kann direkt im Hochdruckbereich des Brennstoffeinspritzventils 1 angeordnet sein. Somit kann sich während des Betriebs im Aktorraum 4 unter hohem Druck stehender Brennstoff befinden. Durch den Druck des Brennstoffs im Aktorraum 4 kommt es zu einer Krafteinwirkung auf die Dichthülle 16 in radialer Richtung. Die Dichthülle 16 ist als elastische Dichthülle 16 ausgestaltet. Hierdurch überträgt sich die von dem Brennstoffdruck aufgebrachte Kraft direkt auf das Gegendruckfluid 23. Somit erfolgt eine Abstützung der Dichthülle 16 gegen den Brennstoffdruck durch das Gegendruckfluid 23.
Bei einer Ansteuerung des Aktorkörpers 10 folgt die Dichthülle 16 dem Hub x ohne dabei eine nennenswerte Gegenkraft auszuüben. Dadurch ist zumindest im Wesentlichen die gesamte Kraft des piezoelektrischen Aktors 2 zum Betätigen der Düsennadel 8 nutzbar.
Die Dichthülle 16 weist vorzugsweise eine ausreichende Elastizität auf, damit Temperatur-, Druck- und Hubabhängige Änderungen des Volumens des Gegendruckfluids 23 kompensiert werden können und eine verlustfreie Übertragung des Brennstoffdrucks auf das Gegendruckfluid 23 über die Dichthülle 16 möglich ist. Hierfür kann die Dichthülle 16 beispielsweise aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt sein. Bei Formgedächtnislegierungen sind durch den Effekt der Pseudoplastizität sehr große Dehnungen reversibel auszuführen. Speziell können im Fall von Legierungen, die auf Nickel und Titan basieren, Dehnungen bis zu etwa 8% reversibel ausgeführt werden. Da eine auf Nickel und Titan basierende Legierung außerdem eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit aufweist, ist dieser Werkstoff unter anderem für den Einsatz bei einem Brennstoffeinspritzventil 1 besonders geeignet.
2 zeigt das in 1 dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung bei einer relativen Volumenzunahme des Gegendruckfluids 23. Solch eine Volumenzunahme kann beispielsweise durch einen Anstieg der Temperatur des Gegendruckfluids 23 bedingt sein. Die beispielsweise aus der Formgedächtnislegierung ausgestaltete Dichthülle 16 hat ein großes Verformungsvermögen, das beispielsweise 20 mal größer ist als das konventioneller Metalle. Hierdurch können Volumenänderungen sehr gut kompensiert werden. Die hermetische Abdichtung des Zwischenraums 21 gegenüber der Umgebung bleibt hierbei unter anderem durch den metallischen Werkstoff der Dichthülle 16 gewährleistet.
In diesem Ausführungsbeispiel vergrößert sich durch die Volumenzunahme der Durchmesser der Dichthülle 16 entlang der Längsachse 19, so dass in einem mittleren Bereich ein vergrößerter Durchmesser D₁ vorliegt. Der Durchmesser D₁ ist größer als der Durchmesser D₀.
Beispielsweise kann der Durchmesser D₀ der Dichthülle 16 gleich 8 mm sein. Hierdurch ergibt sich eine Querschnittsfläche von etwa 50,3 mm².
Wenn beispielsweise ein Verformungsvermögen der Dichthülle 16 auf Grund der Pseudoplastizität von 3% angenommen wird, dann ergibt sich ein vergrößerter Durchmesser D₁, der 3% größer als der Durchmesser D₀ ist, das heißt der Durchmesser D₁ ist 8,24 mm. Dies entspricht einer vergrößerten Querschnittsfläche in einem mittleren Bereich der Dichthülle 16 von 53,3 mm². Wird davon ausgegangen, dass sich die Dichthülle 16 entlang der Längsachse 19 zumindest weitgehend auf diesen vergrößerten Durchmesser D₁ ausdehnt, dann ergibt sich eine relative Volumenzunahme, die gleich der relativen Zunahme der Querschnittsfläche von 50,3 mm² auf 53,3 mm² ist. Diese Zunahme ist etwa 6%.
Somit können bei einer zulässigen pseudoplastischen Verformung von 3% Volumenänderungen von + –6% kompensiert werden. Somit können die in der Praxis auftretenden Druck-, Temperatur- und Hubbedingten Volumenänderungen des Gegendruckfluids 23 ausgeglichen werden. Hierbei ist anzumerken, dass das Gegendruckfluid 23 nur einen Teil des Innenraums der Dichthülle 16, nämlich den Zwischenraum 21, auffüllt, während der Rest vom wesentlich steiferen Aktorkörper 10 ausgefüllt ist. Dies ermöglicht eine geeignete Auslegung in Bezug auf den jeweiligen Anwendungsfall.
3 zeigt das in der 1 dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung bei einer weiteren Verformung der Dichthülle 16. In der 3 ist ergänzend der Fall dargestellt, in dem es zu einer Verringerung des Volumens des Gegendruckfluids 23 ausgehend von dem in der 1 dargestellten Ausgangszustand kommt. Diese Volumenabnahme kann beispielsweise eine druckbedingte Volumenabnahme sein. Ausgehend von dem Durchmesser D₀ kommt es dadurch im mittleren Bereich zu einer Verringerung auf den Durchmesser D₂ von beispielsweise 3%, was durch die Pseudoplastizität der Dichthülle 16 ermöglicht wird.
Somit kann der piezoelektrische Aktor 2 direkt im Hochdruckbereich eines Brennstoffeinspritzventils 1 eingesetzt werden. Hierbei sind die Kraft und der Hub x des piezoelektrischen Aktors 2 vollständig oder zumindest weitgehend nutzbar, da die Abdichtung eine sehr geringe Steifigkeit aufweist. Ferner wird ein Kontakt zwischen dem Aktorkörper 10 und der Umgebung, insbesondere dem Brennstoff, verhindert, so dass keine schädlichen chemischen Reaktionen auftreten können, die die Lebensdauer verringern. Durch die Ausgestaltung der Dichthülle 16 aus der Formgedachtnislegierung werden auf Grund des großen Formänderungsvermögens, das heißt der Pseudoplastizität, auch große Volumenänderungen ausgeglichen, ohne dass es zu schädigenden Spannungen in der Dichthülle 16 kommt.
Bei den anhand der 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsbeispielen umgibt das Gegendruckfluid 23 den Aktorkörper 10. Dabei ist der Aktorkörper 10 durch das in dem Zwischenraum 21 vorgesehene Gegendruckfluid 23 von der Dichthülle 16 getrennt und beabstandet. Diese Trennung und Beabstandung besteht auch bei einer Verringerung des Durchmessers der Dichthülle 16, wie es in der 3 bei dem verringerten Durchmesser D₂ veranschaulicht ist.
4 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffeinspritzventil 1 dieses Ausführungsbeispiels eignet sich besonders für Injektoren zur Benzin-Direkteinspritzung. Hierbei können beispielsweise Raildrücke und somit Drücke des Brennstoffs im Aktorraum 4 von mehr als 20 MPa (200 Bar) zum Einsatz kommen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktorkörper 10 ebenfalls nicht in trockener Umgebung, sondern in dem Gegendruckfluid 23 angeordnet. Das Gegendruckfluid 23 ist hierbei chemisch und elektrisch verträglich, so dass insbesondere eine Korrosion oder ein Kurzschluss in Bezug auf den Aktorkörper 10 verhindert ist. Über die Dichthülle 16 ist das Gegendruckfluid 23 vom Brennstoff getrennt. Der Brennstoffdruck überträgt sich durch die elastische Dichthülle 16 auf das Gegendruckfluid 23, so dass die Dichthülle 16 beidseitig druckbeansprucht ist. Wegen der Elastizität der Dichthülle 16 können der Aktorhub und die erzeugte Kraft nahezu verlustfrei an die Ventilnadel 8 übertragen werden.
Die Dichthülle 16 kann aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, hergestellt sein. Vorteilhaft ist auch die Ausgestaltung aus einer Formgedächtnislegierung, die beispielsweise auf Nickel und Titan basiert. Hierdurch kann die Pseudoplastizität ausgenutzt werden, so dass sehr große reversible Verformungen von beispielsweise bis zu 8% ermöglicht sind. Hierbei besteht außerdem eine Korrosionsbeständigkeit.
Wenn ausgehend von einem im Aktorraum 4 herrschenden Brennstoffdruck der Druck des Brennstoffs ansteigt, so pflanzt sich diese Drucksteigerung durch die Dichthülle 16 unmittelbar auf das Gegendruckfluid 23 fort, so dass die Dichthülle 16 weiterhin druckentlastet ist. Somit kann auch bei sehr hohen Brennstoffdrücken und gegebenenfalls sich ändernden Drücken eine Beschädigung der Dichthülle 16 verhindert werden.
Die elektrischen Zuleitungen 13, 14 sind auf geeignete Weise zu dem Aktorkörper 10 geführt. Hierbei kann ein dünnes, elastisches Stahlrohr 25 oder dergleichen einen Kontakt mit dem Brennstoff verhindern. Das Stahlrohr 25 ist hierbei durch den Aktorraum 4 geführt, wobei eine axiale Beweglichkeit entlang der Längsachse 19 durch die elastische Ausgestaltung des Stahlrohrs 25 ermöglicht ist. Die Kabeldurchführung für die elektrischen Zuleitungen 13, 14, insbesondere das Stahlrohr 25, sind hierbei so ausgelegt und abgedichtet, dass das Gegendruckfluid 23 nicht aus dem Zwischenraum 21 entweicht.
Bei einer Betätigung des piezoelektrischen Aktors 2 dehnt sich dieser aus, so dass die Düsennadel 8 entgegen der Kraft einer Ventilfeder 26 betätigt wird. Hierdurch hebt sich ein mit der Düsennadel 8 verbundener Ventilschließkörper 27 von einer Ventilsitzfläche 28 ab. Ein zwischen dem Ventilschließkörper 27 und der Ventilsitzfläche 28 gebildeter Dichtsitz wird hierdurch geöffnet.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 dieses Ausführungsbeispiels weist einen hydraulischen Koppler 30 auf. Der hydraulische Koppler 30 umfasst eine Vorspannfeder 31, das Element 5, einen zylinderförmigen Kolben 32, der in dem hohlzylinderförmig ausgestalteten Element 5 geführt wird, und einen Kopplerraum 33, der zwischen dem Kolben 32 und dem hohlzylinderförmigen Element 5 ausgebildet ist.
Über eine gewisses Leckage füllt sich der Kopplerraum 33 im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 mit dem Brennstoff aus dem Aktorraum 4. Als Kopplermedium dient in diesem Ausführungsbeispiel der Brennstoff. Hierdurch ist ein Toleranzausgleich, insbesondere in Bezug auf Temperaturänderungen, gegeben. Der Kolben 32 stützt sich hierbei an einem Deckel 34 ab. Über eine Bohrung 35, die in dem Deckel 34 ausgestaltet ist, kann Brennstoff in den Aktorraum 4 geführt werden.
5 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen den Übergangsstücken 6, 7 des piezoelektrischen Aktors 2 neben dem Aktorkörper 10 der hydraulische Koppler 30 vorgesehen. Hierbei ist das als Kolben dienende, stufenzylinderförmige Element 5 in das Übergangsstück 6 eingesetzt. Ferner ist an den Aktorkörper 10 ein hohlzylinderförmiges Übergangselement 36 angefügt. Die Dichthülle 16 umschließt umfänglich sowohl den Aktorkörper 10 als auch die Elemente des Kopplers 30. Hierbei ist die Dichthülle 16 über die Schweißnaht 18 mit dem Übergangsstück 6 verbunden.
Das Gegendruckfluid 23 wird in den Zwischenraum 21 eingefüllt. Hierbei wird gegebenenfalls auch der Kopplerraum 33 mit dem Gegendruckfluid 23 gefüllt. Wesentlich ist hierbei, dass in dem Kopplerraum 33 gegebenenfalls während der Montage vorgesehene Luft vollständig verdrängt wird. Somit ist das Innere der Dichthülle 16 vollständig mit dem Gegendruckfluid 23 aufgefüllt, wobei Luftblasen oder dergleichen zumindest weitgehend verhindert sind.
Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 wird über den hydraulischen Koppler 30 ein gewisser Ausgleich in Bezug auf thermische Längenänderungen oder dergleichen ermöglicht. Beispielsweise kann der Aktorkörper 10 im erwärmten Zustand eine verlängerte Ausgangslänge aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine gewisse, langsam erfolgende Drift, die durch den hydraulischen Koppler 30 ausgeglichen wird. Beim Betätigen des Aktorkörpers 10 werden hingegen in der Regel Hübe x nur für kurze Zeit ausgeführt, so dass diesbezüglich kein Ausgleich durch den hydraulischen Koppler 3 erfolgt. Somit ist ein Betriebsverhalten optimiert.
6 zeigt eine Dichthülle 16 entsprechend einer möglichen Ausgestaltung. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Dichthülle 16 aus einem metallischen Material, insbesondere einem Stahl, ausgebildet. Die als elastische Metallhülse 16 ausgestaltete Dichthülse 16 ist hierbei an ihren Enden 37, 38 mittels Schweißnähten 17, 18 oder anderer Verbindungen mit Übergangsstücken 6, 7 eines piezoelektrischen Aktors 2 verbindbar. Die Dichthülle 16 weist ein in einer Längsrichtung, das heißt entlang der Längsachse 19, verlaufendes Wellenprofil 39 auf. Das Wellenprofil 39 umfasst hierbei mehrere Längswellen 40. Durch das Wellenprofil 39 ist eine gewisse radiale Dehnbarkeit der Dichthülle 16 gewährleistet. Hierbei kann ein Durchmesser D₀ der Dichthülle 16 im Betrieb innerhalb eines relativ großen Bereichs vergrößert oder verkleinert werden. Außerdem weist die Dichthülle 16 in einer Umfangsrichtung verlaufende Wellenprofile 41, 42 mit Querwellen 43, 44 auf. Durch die Wellenprofile 41, 42 wird eine axiale Ausdehnung und Verkürzung der Dichthülle 16 ermöglicht.
Somit kann die Dichthülle 16 aus einem Stahl oder einem anderen Metall gebildet sein und eine gewisse Elastizität zum Einschließen des Gegendruckfluids 23 aufweisen. Die in der
6 dargestellte Dichthülle 16 kann insbesondere bei den anhand der 4 und 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Anwendung kommen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10133151 A1 [0002, 0003]

Claims

Piezoelektrischer Aktor (2), insbesondere Aktor für Brennstoffeinspritzventile mit einem Aktorkörper (10), der eine Vielzahl von keramischen Schichten (11) und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (11) angeordneten Elektrodenschichten (12) aufweist, wobei der Aktorkörper (10) zumindest abschnittsweise von einer Dichthülle (16) umgeben ist und wobei ein zwischen dem Aktorkörper (10) und der Dichthülle (16) gebildeter Zwischenraum (21) zumindest im Wesentlichen mit einem Gegendruckfluid (23) gefüllt ist.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegendruckfluid (23) zumindest teilweise in direktem Kontakt mit dem Aktorkörper (10) ist, so dass der Aktorkörper (10) zumindest teilweise von dem Gegendruckfluid (23) umgeben ist.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (10) durch das in dem Zwischenraum (21) vorgesehene Gegendruckfluid (23) von der Dichthülle (16) getrennt und beabstandet ist.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülle (16) als elastische Dichthülle (16) ausgebildet ist.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülle (16) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülle (16) zumindest teilweise aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist, die auf Nickel und Titan basiert.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülle (16) als elastische Metallhülle (16) ausgestaltet ist.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichthülle (16) ein zumindest teilweise in einer Längsrichtung verlaufendes Wellenprofil (39) mit Längswellen und/oder ein zumindest teilweise in einer Umfangsrichtung verlaufendes Wellenprofil (41, 42) mit Querwellen aufweist.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein an den Aktorkörper (10) angefügtes Übergangsstück (7) vorgesehen ist, dass die Dichthülle (16) mit dem Übergangsstück (7) verbunden ist und dass das Übergangsstück (7) eine Befüllungsbohrung (20) aufweist, die von einem Dichtelement (24) verschlossen ist.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit der Dichthülle (16) verbundenes Übergangsstück (6) vorgesehen ist, dass ein hydraulischer Koppler (30) vorgesehen ist, dass ein Element (5) des hydraulischen Kopplers (30) mit dem Übergangsstück (6) verbunden ist und dass ein Kopplerraum (33) des hydraulischen Kopplers (30) mit dem Zwischenraum (21), in dem das Gegendruckfluid (23) vorgesehen ist, verbunden ist und dass als Kopplerfluid das Gegendruckfluid (23) dient.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit der Dichthülle (16) verbundenes und an den Aktorkörper (10) angefügtes Übergangsstück (6) vorgesehen ist, dass ein hydraulischer Koppler (30) vorgesehen ist, dass ein Element (5) des hydraulischen Kopplers (30) mit dem Übergangsstück (6) verbunden ist und dass ein Kopplerraum (33) des hydraulischen Kopplers (30) mit einer Umgebung verbunden ist und als Kopplerfluid ein den Aktor umgebendes Medium dient.
Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden oder gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen Aktor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einem von dem piezoelektrischen Aktor (2) betätigbaren Ventilschließkörper (27), der mit einer Ventilsitzfläche (28) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.