DE102009047512A1

DE102009047512A1 - Aktormodul und Brennstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102009047512A1
Application number: DE102009047512A
Authority: DE
Inventors: Michael Gebhard; Peter Cromme; Claudia Klotz; Helmut Sommariva
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Ein Aktormodul (2), das insbesondere als piezoelektrisches Aktormodul für Brennstoffeinspritzventile von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen ausgestaltet ist, weist einen Aktorkörper (26) und Übergangsstücke (24, 25) auf. Dabei ist der Aktorkörper (26) zwischen den Übergangsstücken (24, 25) angeordnet. Ferner ist eine Hülse (32) vorgesehen, die den Aktorkörper (26) umgibt. Die Hülse (32) ist einerseits durch eine Schweißnaht (33) mit dem Übergangsstück (24) und andererseits durch eine Schweißnaht (34) mit dem Übergangsstück (25) verbunden. Ein zwischen einer Außenseite (36) des Aktorkörpers (26) und der Hülse (32) gebildeter Zwischenraum (38) ist mit einem Schwergas (39) aufgefüllt. Als Schwergas (39) kommt insbesondere Schwefelhexafluorid zum Einsatz.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Aktormodul, insbesondere ein piezoelektrisches Aktormodul für Brennstoffeinspritzventile, und ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem Aktormodul. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
Aus der DE 100 62 672 A1 ist ein piezokeramisches Bauelement mit einem Stapel aus einer Vielzahl von Keramikschichten und einer Vielzahl von zwischen den Keramikschichten angeordneten Elektrodenschichten bekannt. Als piezoelektrisches Material für die Keramikschichten kann beispielsweise eine modifizierte Bleizirkonattitanat-Keramik (PZT-Keramik) zum Einsatz kommen.
Um ein piezokeramisches Bauelement beispielsweise in einem Brennstoffeinspritzventil anzuordnen, ist eine Abdichtung gegenüber einem Brennstoff oder dergleichen erforderlich. Hierfür ist es denkbar, dass das piezokeramische Bauelement durch eine stabile Metallhülse gekapselt wird, wobei das piezokeramische Bauelement durch ein Polyamid-Spritzgussteil gesockelt und zentriert werden kann. Das in der Metallhülse angeordnete piezokeramische Bauelement kann zusätzlich mit einer Vergussmasse auf Silikonbasis vergossen werden. Ein verbleibender Bereich oberhalb eines Vergussspiegels in der Metallhülse füllt sich dann mit Helium, das im Rahmen einer Heliumdichtigkeitsprüfung in das Aktormodul gefüllt wird.
Diese denkbare Abdichtung des piezokeramischen Bauelements hat den Nachteil, dass ein hoher apparativer Aufwand besteht. Beispielsweise muss die Vergussmasse aus ihren Vergussmittelbestandteilen aufbereitet werden. Dies führt auch zu einem hohen Reinigungsaufwand im Herstellungsprozess. Außerdem besteht das Problem einer chemischen Wechselwirkung zwischen der Vergussmasse und dem piezokeramischen Bauelement beziehungsweise dessen Bestandteilen. Hierdurch kann die Lebensdauer des Aktormoduls oder zumindest seine Funktionsfähigkeit reduziert beziehungsweise beeinträchtigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Aktormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 15 haben den Vorteil, dass eine Funktionsfähigkeit verbessert und/oder eine Herstellung vereinfacht ist. Speziell kann eine im Betrieb entstehende Betriebswärme des Aktorkörpers über das Schwergas zuverlässig abgeführt werden, wobei eine chemische Beeinträchtigung des Aktorkörpers verhindert ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Aktormoduls und des im Anspruch 15 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
In vorteilhafter Weise ist der zwischen der Außenseite des Aktorkörpers und der Hülse gebildete Zwischenraum zumindest im Wesentlichen mit dem Schwergas aufgefüllt. Speziell kann der Zwischenraum vollständig mit dem Schwergas aufgefüllt sein. Eine Vergussmasse ist somit nicht erforderlich. Dadurch wird eine Beeinträchtigung des Aktorkörpers, beispielsweise eines piezokeramischen Materials des Aktorkörpers, verhindert. Außerdem kann das Schwergas zur Leckageprüfung verwendet werden. Dies bedeutet, dass ein spezielles Leckagegas, insbesondere Helium, nicht erforderlich ist und somit auch nicht in das Aktormodul eingebracht werden muss. Die Leckageprüfung kann unmittelbar an dem mit dem Schwergas gefüllten Aktormodul erfolgen. Hierbei ergibt sich bei einem Schwergas, das so ausgewählt ist, dass es kein Bestandteil der normalen Umgebungsluft ist, der Vorteil, dass die Leckageprüfung vereinfacht ist. Insbesondere ist keine spezielle Prüfatmosphäre erforderlich, so dass die Leckageprüfung beispielsweise unter normalem Atmosphärendruck stattfinden kann. Dieser Vorteil ist beispielsweise bei Schwefelhexafluorid gegeben, das als Schwergas eingesetzt werden kann.
Vorteilhaft ist es auch, dass das Schwergas ein Schwergas mit einer hohen chemischen Beständigkeit und einer guten Wärmeleitfähigkeit ist. Durch die hohe chemische Beständigkeit ist eine chemische Wechselwirkung mit dem Aktorkörper, insbesondere einem Aktorbestandteil, verhindert. Ferner wird eine Herstellung des Aktormoduls erleichtert. Speziell kann ein Schweißen, insbesondere Laserschweißen, an dem mit Schwergas gefüllten Aktormodul erfolgen. Beispielsweise hat Schwefelhexafluorid auch bei Temperaturen von 1000 K eine ausreichende thermische Stabilität. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Schwergases kann die im Betrieb entstehende Betriebswärme des Aktorkörpers an die Umgebung abgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn der Zwischenraum zwischen der Außenseite des Aktorkörpers und der Hülse im Wesentlichen mit dem Schwergas aufgefüllt ist, so dass eine homogene Wärmeabfuhr über die gesamte Außenseite des Aktorkörpers ermöglicht ist. In diesem Zusammenhang ist auch anzumerken, dass Helium eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass ein teilweise mit Helium gefüllter Zwischenraum die Wärmeabfuhr beeinträchtigt. Deshalb ist es von Vorteil, dass der Zwischenraum zumindest im Wesentlichen heliumfrei ist. Dies ist möglich, da die Leckageprüfung anhand des Schwergases durchgeführt werden kann.
In vorteilhafter Weise ist das Schwergas Schwefelhexafluorid, Kohlendioxid, Argon oder Stickstoff. Der Zwischenraum zwischen der Außenseite des Aktorkörpers und der Hülse kann auch mit mehreren Schwergasen gefüllt sein, insbesondere aus einem Schwergasgemisch, das Schwefelhexafluorid und/oder Kohlendioxid und/oder Argon und/oder Stickstoff aufweist.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das in dem Zwischenraum vorgesehene Schwergas an der Außenseite des Aktorkörpers mit einem piezoelektrischen Material des Aktorkörpers in Berührung kommt. Dadurch wird ein guter Wärmeübergang von der Außenseite des Aktorkörpers auf das Schwergas ermöglicht. Durch die chemische Stabilität des Schwergases ist eine Beeinträchtigung des piezokeramischen Materials oder eines anderen piezoelektrischen Materials verhindert. Außerdem kann eine Beschichtung des Aktorkörpers an seiner Außenseite entfallen, wodurch sich die Herstellung des Aktormoduls weiter vereinfacht. Somit kann der Aktorkörper an seiner Außenseite zumindest im Wesentlichen unbeschichtet sein.
In vorteilhafter Weise ist die Hülse mit den Übergangsstücken durch jeweils eine Schweißnaht verbunden. Hierdurch kann das Aktormodul in vorteilhafter Weise gegenüber der Umgebung abgedichtet sein. Die Hülse kann dabei aus einem metallischen Material, das heißt als Metallhülse, gebildet sein. Durch die thermische Stabilität des Schwergases kann das Laserschweißen oder ein anderes Schweißverfahren an der mit dem Schwergas gefüllten Hülse durchgeführt werden.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Hülse und die Übergangsstücke einen Innenraum bilden, in dem der Aktorkörper angeordnet ist, und dass der Innenraum, der den Zwischenraum umfasst, zumindest im Wesentlichen mit dem Schwergas aufgefüllt ist. Beispielsweise kann der Aktorkörper eine Durchgangsbohrung aufweisen. Das Schwergas kann dann zum Auffüllen des gesamten Innenraums, das heißt zum Auffüllen sowohl des Zwischenraums als auch der Durchgangsbohrung oder dergleichen dienen.
In vorteilhafter Weise ist die Hülse zumindest teilweise verformbar ausgestaltet. Hierbei ist eine geometrische Verformbarkeit der Hülse möglich, um einen Aktorhub infolge der Aktorlängung beim Betätigen des Aktormoduls zu ermöglichen. Die Hülse ist hierbei vorzugsweise als Metallhülse ausgestaltet. Die Metallhülse übernimmt hierbei zusätzlich die Funktion einer Aktormodulmembran. Hierdurch ist ein Brennstoff von den Komponenten des Aktormoduls ferngehalten. Die Hülse kann hierbei konstruktiv so ausgeführt sein, dass die Aktorlängung durch eine gezielte Verformung der Hülse ermöglicht ist. Hierbei können ein oder mehrere Elemente vorgesehen sein, die sich zur Kompensation der Aktorlängung gezielt und reversibel verformen. Hierdurch kann der Aktorhub ohne Schädigung der Hülse an die Komponenten außerhalb des Aktormoduls weitergegeben werden. Hierbei wirkt eine Stirnfläche des Aktorkörpers in vorteilhafter Weise mit einer endseitigen Innenfläche der Hülse zusammen. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Stirnfläche des Aktorkörpers direkt an die endseitige Innenfläche der Hülse angrenzt.
Zur Montage des Aktormoduls kann der Aktorkörper in vorteilhafter Weise über ein offenes Ende der Hülse in die Hülse eingefügt werden. Das offene Ende der Hülse kann dann beispielsweise durch Schweißen oder dergleichen mit einem Übergangsstück des Aktormoduls verschweißt werden. Die Montage des Aktormoduls und insbesondere der Fügevorgang des Aktorkörpers und des Übergangsstücks, insbesondere des Aktorfußes, mit der metallischen Hülse erfolgt vorzugsweise in einer Schwergasatmosphäre, beispielsweise aus Schwefelhexafluorid, Kohlendioxid, Argon oder Stickstoff. Die Hülse muss dann nur noch mit dem Übergangsstück, insbesondere dem Aktorfuß, verschweißt werden. Durch die Montage in Schwergas kann ein Verfüllen mit Vergussmasse entfallen. An einem mit dem Schwergas gefüllten Aktormodul kann unmittelbar eine Leckageprüfung durchgeführt werden, eine separate Leckageprüfung mit Helium ist nicht erforderlich und kann entfallen. Die Leckageprüfung mit dem Schwergas, insbesondere dem Schwefelhexafluorid, hat in der Handhabung wesentliche Vorteile gegenüber Helium. Beispielsweise kommt Schwefelhexafluorid in der Umgebungsluft nicht vor und die Prüfung kann unter normalem Atmosphärendruck stattfinden. Vorteile ergeben sich auch bei anderen Schwergasen, wie beispielsweise Kohlendioxid, Argon und Stickstoff. Da die Metallhülse sowohl die Funktionen einer Hülse als auch einer Membran umfasst, können viele Prozessschritte entfallen, wodurch eine kostengünstige Herstellung und eine deutliche Reduktion der Durchlaufzeiten beim Modulaufbau möglich ist.
Vorteilhaft ist es, dass die Hülse zumindest eine nach außen orientierte Biegekante aufweist. Hierbei kann bei einer Längung des Aktorkörpers im Bereich der Biegekante eine reversible Verformung der Hülse erfolgen. Hierdurch wird ein Hub des Aktorkörpers ermöglicht. Möglich ist es auch, dass die Hülse mehrere Biegekanten aufweist, die abwechselnd nach innen und nach außen orientiert sind. Hierdurch wird ein größerer Hub ermöglicht und/oder ein kompakter Aufbau, insbesondere ein optimierter Durchmesser, des Aktormoduls ermöglicht.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Hülse zumindest einen nach außen orientierten, zumindest im Wesentlichen flachen Abschnitt aufweist, der sich bei einer Ausdehnung des Aktorkörpers entlang seiner Längsachse in einer Längsrichtung verbiegt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise ein Hub- und Volumenausgleich ermöglicht.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Hülse zumindest eine nach außen orientierte Wölbung aufweist. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Hülse mehrere nach außen orientierte Wölbungen aufweist, die aneinander angrenzen. Hierdurch wird ein vorteilhafter Hubausgleich ermöglicht, wobei ein Volumen des Innenraums der Hülse zumindest im Wesentlichen konstant bleibt.
Vorteilhaft ist es auch, dass die Hülse zumindest abschnittsweise wellenförmig ausgestaltet ist. Hierbei können auch unterschiedliche Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden. Hierdurch ist in Bezug auf das eingefüllte Schwergas eine vorteilhafte Verformung der Hülse während der Betätigung des Aktormoduls möglich.
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 Aktormodul in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Aktormodul in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Aktormodul in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 den in 3 mit IV bezeichneten Ausschnitt einer Hülse eines Aktormoduls in einer schematischen Darstellung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 den in 4 dargestellten Ausschnitt einer Hülse entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung und
6 den in 4 dargestellten Ausschnitt einer Hülse entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktormodul 2 in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel. 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. Das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und das erfindungsgemäße Aktormodul 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 auf, an dem ein Brennstoffeinlassstutzen 4 vorgesehen ist. An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar, um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Aktorraum 5 zu leiten. Der Aktorraum 5 ist durch ein Gehäuseteil 6 von einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen Brennstoffraum 7 getrennt. Hierbei sind in dem Gehäuseteil 6 Durchlassöffnungen 8, 9 vorgesehen, über die Brennstoff aus dem Aktorraum 5 in den Brennstoffraum 7 gelangen kann. Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Ventilsitzkörper 10 auf, der mit dem Ventilgehäuse 3 verbunden ist. An dem Ventilsitzkörper 10 ist eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet, die mit einem Ventilschließkörper 12 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper 12 ist von einer Düsennadel 15 betätigbar, wobei der Ventilschließkörper 12 in diesem Ausführungsbeispiel einstückig mit der Düsennadel 15 ausgebildet ist. Die Düsennadel 15 ist über eine in dem Aktorraum 5 angeordnete Druckplatte 16 von dem Aktormodul 2 betätigbar. Bei dieser Betätigung ist die Düsennadel 15 entlang einer Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1 durch das Gehäuseteil 6 geführt. In dem in der 1 dargestellten Ausgangszustand ist der Ventilschließkörper 12 von einer Schließkraft beaufschlagt, die von einem zwischen der Druckplatte 16 und dem Gehäuseteil 6 angeordneten Federelement 18 erzeugt ist.
An dem Ventilgehäuse 3 ist außerdem eine Anschlussstelle 20 vorgesehen, an die eine elektrische Leitung an das Brennstoffeinspritzventil 1 anschließbar ist. Dadurch kann ein elektrischer Kontakt mit elektrischen Leitungen 21, 22 des Aktormoduls 2 hergestellt werden. Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind durch das Ventilgehäuse 3 und ein Übergangsstück 24 des Aktormoduls 2 geführt. Das Übergangsstück 24 ist hierbei als Aktorfuß 24 ausgestaltet.
Das Aktormodul 2 weist ein weiteres Übergangsstück 25 auf, das als Aktorkopf ausgestaltet ist. Zwischen den Übergangsstücken 24, 25 ist ein Aktorkörper 26 angeordnet. Der Aktorkörper 26 weist eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten 27, 28 und eine Vielzahl von zwischen den piezoelektrischen Schichten 27, 28 angeordneten Innenelektrodenschichten 29, 30 auf. Dabei sind in der 1 zur Vereinfachung der Darstellung nur die piezoelektrischen Schichten 27, 28 sowie die Innenelektrodenschichten 29, 30 gekennzeichnet.
Die piezoelektrischen Schichten 27, 28 sind insbesondere als piezokeramische Schichten 27, 28 oder elektroaktive Schichten 27, 28 ausgestaltet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die piezoelektrischen Schichten 27, 28 aus einem piezokeramischen Material gebildet und somit als piezokeramische Schichten 27, 28 ausgestaltet. Allerdings kann auch ein elektroaktives Material zum Einsatz kommen.
Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind alternierend mit den Innenelektrodenschichten 29, 30 des Aktorkörpers 26 verbunden. Über die elektrischen Leitungen 21, 22 kann der Aktorkörper 26 geladen und entladen werden, um eine Betätigung der Düsennadel 15 mittels des Aktormoduls 2 zu ermöglichen. Bei solch einer Betätigung kann sich der Aktorkörper 26 entlang der Achse 17 ausdehnen, so dass die Düsennadel 15 entgegen der Kraft des Federelements 18 verstellt wird und der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 11 gebildete Dichtsitz geöffnet wird. Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 7 über einen Ringspalt 31 und den geöffneten Dichtsitz in den Brennraum einer Brennkraftmaschine oder dergleichen.
Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 kommt es laufend zu Dehnungen und Kontraktionen des Aktorkörpers 26 entlang der Achse 17. Hierbei kommt es zu einer Wärmeentwicklung im Aktorkörper 26. Diese Betriebswärme kann in vorteilhafter Weise an den durch den Aktorkörper 5 strömenden Brennstoff abgeführt werden. Allerdings besteht hierbei das Problem, dass der Brennstoff im Aktorraum 5 die Funktionsfähigkeit des Aktormoduls 2 beeinträchtigt, wenn dieser in das Aktormodul 2 eindringt. Beispielsweise kann das piezokeramische Material der piezoelektrischen Schichten 27, 28 durch chemische Einwirkung beschädigt werden. Außerdem kann beispielsweise in einem Dieselbrennstoff enthaltenes Wasser einen Kurzschluss zwischen den Innenelektrodenschichten 29, 30 verursachen.
Das Aktormodul 2 weist eine Hülse 32 auf. Die Hülse 32 kann aus einem metallischen Material gebildet und somit als Metallhülse 32 ausgestaltet sein. Hierbei können auch die Übergangsstücke 24, 25 als metallische Übergangsstücke 24, 25 ausgebildet sein. Die Metallhülse 32 kann in diesem Fall durch umlaufende Schweißnähte 33, 34 mit den Übergangsstücken 24, 25 verbunden werden.
Die Metallhülse 32 weist eine Innenseite 35 auf. Ferner weist der Aktorkörper 26 eine Außenseite 36 auf. Durch die Innenseite 35 der Metallhülse 32 und die Übergangsstücke 24, 25 ist ein innerhalb der Innenseite 35 der Metallhülse 32 liegender Innenraum 37 gebildet, in dem der Aktorkörper 26 angeordnet ist. Hierbei bleibt ein gewisser Teil des Innenraums 37 frei. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Aktorkörper 26 massiv ausgeführt, so dass der zwischen Außenseite 36 des Aktorkörpers 26 und der Innenseite 35 der Metallhülse 32 gebildete Zwischenraum 38 von dem Aktorkörper 26 freigelassen wird. Der von dem Aktorkörper 26 freigelassene Innenraum 37 ist somit in diesem Ausführungsbeispiel identisch mit dem Zwischenraum 38.
Die Metallhülse 32 umschließt den Aktorkörper 26 umfänglich. Bei der Herstellung des Aktormoduls 2 wird der Zwischenraum 38 vollständig mit einem Schwergas 39 gefüllt, das heißt aufgefüllt. Als Schwergas 39 kann insbesondere Schwefelhexafluorid dienen. Durch die äußerst hohe chemische Beständigkeit von Schwefelhexafluorid ist hierbei keine chemische Wechselwirkung mit dem Aktorkörper 26, insbesondere dem piezokeramischen Material der piezokeramischen Schichten 27, 28, gegeben. Der Aktorkörper 26 kann deshalb an seiner Außenseite 36 unbeschichtet sein, so dass das Schwergas 39 in direkten Kontakt mit dem Aktorkörper 26 kommt. Hierdurch kommt es auch zu einem niedrigen thermischen Übergangswiderstand zwischen dem Aktorkörper 26 und dem Schwergas 39, wodurch eine Wärmeabgabe von dem Aktorkörper 26 über das Schwergas 39 verbessert ist. Außerdem umgibt das Schwergas 39 den Aktorkörper 26 an seiner gesamten Außenseite 36, so dass eine homogene Wärmeabgabe über die gesamte Außenseite 36 ermöglicht ist. Das Schwergas 39 leitet die abgegebene Energie an die Metallhülse 32 weiter. Über die Metallhülse 32 wird die Wärme dann an den durch den Aktorkörper 5 fließenden Brennstoff abgegeben. Somit ist eine vorteilhafte Kühlung des Aktorkörpers 26 des Aktormoduls 2 im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 gewährleistet.
Bei der Herstellung des Aktormoduls 2 kann außerdem eine Dichtheit des Aktormoduls 2 geprüft werden. Speziell kann hierbei geprüft werden, ob die Schweißverbindungen, die durch die Schweißnähte 33, 34 geschaffen sind, ausreichend dicht sind. Dies kann durch eine Leckageprüfung erfolgen. Hierbei kann von außen geprüft werden, ob das Schwergas 39, insbesondere Schwefelhexafluorid, aus dem Aktormodul 2 entweicht. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass Schwefelhexafluorid in der normalen Atmosphäre nicht vorkommt, so dass der Nachweis unter vereinfachten Atmosphärenbedingungen stattfinden kann. Speziell ist eine Prüfung unter normalem Atmosphärendruck möglich. Im Unterschied zu einer Leckageprüfung, die beispielsweise mit Helium durchgeführt wird, entfällt auch ein Einbringen von Helium in den Zwischenraum 38. Hierdurch kann das Aktormodul 2 heliumfrei ausgestaltet sein. Hierbei ist in dem Zwischenraum 38 kein Helium vorgesehen. Da Helium eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist, beeinträchtigt ein Heliumrest die Wärmeabgabe des Aktorkörpers 26 an seiner Außenseite 36. In diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch ein vollständiges Auffüllen des Zwischenraums 38 mit dem Schwergas 39 und somit ohne einen Anteil an Helium möglich, wodurch sich eine verbesserte Wärmeabgabe ergibt. Somit weisen das Aktormodul 2 und das Brennstoffeinspritzventil 1 mit dem Aktormodul 2 des Ausführungsbeispiels eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer auf. Speziell kann ein Ausfall des Aktormoduls 2 auf Grund thermischer Überlastung verhindert werden.
Als Schwergas 39 eignet sich besonders Schwefelhexafluorid, da es eine hohe Dichte, eine hohe Ionisierungsenergie, die Fähigkeit freie Elektroden zu binden und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Somit kann durch Schwefelhexafluorid eine vorteilhafte Kapselung und elektrische Isolation des Aktorkörpers 26 im Aktormodul 2 erreicht werden. Außerdem ist Schwefelhexafluorid eines der schwersten bekannten Gase, wobei die Dichte etwa das Fünffache von Luft beträgt. Somit kann Schwefelhexafluorid ähnlich wie eine Flüssigkeit in den Zwischenraum 38 eingefüllt werden. Da Schwefelhexafluorid erst bei Temperaturen von mehr als 1000 K seine thermische Stabilität verliert, ist außerdem ein vorteilhaftes Verbinden der Metallhülse 32 mit zumindest einem Übergangsstück 24, 25 zum Verschließen des Aktormoduls 2 bei eingefülltem Schwergas 39 möglich. Speziell kann ein Laserschweißen zum Einsatz kommen. Neben Schwefelhexafluorid (SF₆) können auch andere Schwergase zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann das Schwergas 39 auch Kohlendioxid (CO₂), Argon (Ar), Stickstoff (N₂) oder dergleichen sein. Ferner können in den Zwischenraum 38 auch mehrere Schwergase 39, das heißt ein Gemisch aus verschiedenen Schwergasen, eingefüllt werden.
Somit kann ein Aktormodul 2 und ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit solch einem Aktormodul 2 geschaffen werden, das sich besonders für Piezo-Common-Rail-Anwendungen und andere Anwendungen mit Vielschicht-Piezoaktoren, insbesondere bei hohen Robustheitsanforderungen, eignet.
2 zeigt ein Aktormodul 2 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hülse 32 als Metallhülse 32 ausgestaltet. Hierbei weist die Hülse 32 ein offenes Ende 45 und ein geschlossenes Ende 46 auf. An dem geschlossenen Ende 46 weist die Hülse 32 ein beispielsweise kreisförmiges Endstück 47 auf. Das Endstück 47 weist eine Innenseite 48 auf.
Zur Montage des Aktormoduls 2 wird der Aktorkörper 26 über das offene Ende 45 in die Hülse 32 eingebracht. Im montierten Zustand liegt der Aktorkörper 26 mit seiner endseitigen Stirnfläche 49 an der endseitigen Innenseite 48 der Hülse 32 an. Die Montage des Aktorkörpers 26 kann in einer Schwergasatmosphäre erfolgen. Als Schwergas dient vorzugsweise Schwefelhexafluorid. Als Schwergas kann allerdings auch Kohlendioxid, Argon, Stickstoff oder ein anderes Schwergas dienen. Durch die Montage in der Schwergasatmosphäre befindet sich zwischen der Innenseite 35 der Hülse 32 und der Außenseite 36 des Aktorkörpers 26 Schwergas 39. Der Innenraum 37 ist daher mit dem Schwergas 39 gefüllt.
Die Hülse 32 ist als zumindest teilweise verformbare Hülse 32 ausgestaltet. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 32 eine Biegekante 50 auf. Bei einer Betätigung des Aktormoduls 2 dehnt sich der Aktorkörper 26 entlang der Längsachse 17 in einer Längsrichtung 51 aus. Hierbei wird insbesondere im Bereich der Biegekante 50 eine Verformung der Hülse 32 ermöglicht.
Die Biegekante 50 der Hülse 32 ist nach außen orientiert. Bei der Ausdehnung des Aktorkörpers 26 in die Längsrichtung 51 verkleinert sich der Querschnitt der Hülse 32 im Bereich der Biegekante 50, wie es durch die Pfeile 52, 53 veranschaulicht ist. Hierdurch wird ein Hub des Aktorkörpers 26 ermöglicht. Das Volumen des Innenraums 37 kann hierbei zumindest im Wesentlichen konstant sein. Beispielsweise kann sich im ausgedehnten Zustand des Aktorkörpers 26 eine Ausgestaltung der Hülse 32 ergeben, die durch die unterbrochen dargestellte Linie 54 veranschaulicht ist.
3 zeigt ein Aktormodul 2 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 32 mehrere nach außen orientierte Wölbungen 55, 56 auf. Hierbei sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die Wölbungen 55, 56 gekennzeichnet. Die Wölbungen 55, 56 grenzen hierbei direkt aneinander an Außerdem weist die Hülse 32 im Bereich des offenen Endes 45 einen nach außen orientierten, zumindest im Wesentlichen flachen Abschnitt 57 auf. Ferner ist auch im Bereich des geschlossenen Endes 56 ein nach außen orientierter, zumindest im Wesentlichen flacher Abschnitt 58 der Hülse 32 vorgesehen. Beim Betätigen des Aktorkörpers 26 dehnt sich dieser entlang der Längsachse 17 aus. Hierbei biegt sich der flache Abschnitt 57 in der Längsrichtung 51. Außerdem biegt sich hierbei der flache Abschnitt 58 entgegen der Längsrichtung 51. Außerdem wird durch die Wölbungen 55, 56 eine gewisse Verformbarkeit der Hülse 32 gewährleistet. Im betätigten Zustand des Aktorkörpers 26 kann die Hülse beispielsweise so ausgestaltet sein, wie es durch die unterbrochen dargestellte Linie 54 veranschaulicht ist. Ein Volumen des Innenraums 37 kann hierbei zumindest näherungsweise konstant bleiben. Somit wird in vorteilhafter Weise ein Hub des Aktorkörpers 26 ermöglicht.
4 zeigt den in 3 mit IV bezeichneten Ausschnitt der Hülse 32 in einer schematischen Darstellung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 32 mehrere Biegekanten 50, 50' auf, die abwechselnd nach innen und nach außen orientiert sind. Hierbei sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die Biegekanten 50, 50' gekennzeichnet. Hierdurch kann die Hülse 32 in Form einer Ziehharmonika ausgestaltet sein. Hierdurch wird ein Hub des Aktorkörpers 26 beim Betätigen des Aktormoduls 2 ermöglicht.
5 zeigt den in 4 dargestellten Ausschnitt der Hülse 32 entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Hülse 32 eine nach außen orientierte, bauchförmige Wölbung 55 auf. Bei einer Betätigung des Aktormoduls 2 nimmt das Ausmaß der bauchförmigen Wölbung 55 ab, so dass ein Hub des Aktorkörpers 26 ermöglicht ist.
6 zeigt den in 4 dargestellten Ausschnitt der Hülse 32 entsprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Hülse 32 wellenförmig ausgestaltet, so dass ebenfalls ein Hub des Aktorkörpers 26 ermöglicht ist. Die wellenförmige Ausgestaltung der Hülse 32 kann hierbei auch abschnittsweise vorgesehen sein.
Die anhand der 1 bis 6 beschriebenen Ausgestaltungen der Hülse 32 können auch auf geeignete Weise miteinander kombiniert werden.
Somit ist eine Kapselung des Aktorkörpers 26 gegenüber der Umgebung, insbesondere dem Aktorraum 5, möglich. Ein Vergießen kann hierbei entfallen, da anstelle einer Vergussmasse ein Schwergas mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt wird. Hierbei kann in vorteilhafter Weise eine Leckageprüfung durchgeführt werden, wobei eine separate Leckageprüfung mit Helium entfallen kann. Speziell beim Einsatz von Schwefelhexafluorid als Schwergas besteht der Vorteil, dass Schwefelhexafluorid in der Umgebungsluft nicht vorkommt und somit die Prüfung unter normalem Atmosphärendruck stattfinden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10062672 A1 [0002]

Claims

Aktormodul (2), insbesondere piezoelektrisches Aktormodul für Brennstoffeinspritzventile von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit einem Aktorkörper (26), einem ersten Übergangsstück (24) und einem zweiten Übergangsstück (25), wobei der Aktorkörper (26) zwischen dem ersten Übergangsstück (24) und dem zweiten Übergangsstück (25) angeordnet ist, wobei eine Hülse (32) vorgesehen ist, die den Aktorkörper (26) umgibt, wobei die Hülse (32) einerseits zumindest mittelbar mit dem ersten Übergangsstück (24) und andererseits zumindest mittelbar mit dem zweiten Übergangsstück (25) verbunden ist und wobei in einem zwischen einer Außenseite (36) des Aktorkörpers (26) und der Hülse (32) gebildeten Zwischenraum (38) zumindest ein Schwergas (39) vorgesehen ist.
Aktormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der Außenseite (36) des Aktorkörpers (26) und der Hülse (32) gebildete Zwischenraum (38) zumindest im Wesentlichen mit dem Schwergas (39) aufgefüllt ist.
Aktormodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwergas (39) ein Schwergas (39) mit einer hohen chemischen Beständigkeit und einer guten Wärmeleitfähigkeit ist.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwergas (39) Schwefelhexafluorid, Kohlendioxid, Argon oder Stickstoff ist.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Zwischenraum (38) vorgesehene Schwergas (39) an der Außenseite (36) des Aktorkörpers (26) mit einem piezoelektrischen Material des Aktorkörpers (26) in Berührung kommt.
Aktormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorkörper (26) an seiner Außenseite (36) zumindest im Wesentlichen unbeschichtet ist.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (38) zumindest im Wesentlichen heliumfrei ist.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) mit dem ersten Übergangsstück (24) durch eine Schweißnaht (33) verbunden ist und/oder dass die Hülse (32) mit dem zweiten Übergangsstück (25) durch eine Schweißnaht (34) verbunden ist.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) und die Übergangsstücke (24, 25) einen Innenraum (37) bilden, in dem der Aktorkörper (26) angeordnet ist, und dass der Innenraum (37), der den Zwischenraum (38) umfasst, zumindest im Wesentlichen mit dem Schwergas (39) aufgefüllt ist.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) zumindest teilweise verformbar ausgestaltet ist und dass die Hülse (32) eine endseitige Innenseite (48) aufweist, die zumindest mittelbar mit einer Stirnfläche (49) des Aktorkörpers (26) zusammenwirkt.
Aktormodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) zumindest eine nach außen orientierte Biegekante (50) aufweist.
Aktormodul nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) zumindest einen nach außen orientierten, zumindest im Wesentlichen flachen Abschnitt (57, 58) aufweist, der sich bei einer Ausdehnung des Aktorkörpers (26) entlang seiner Längsachse (17) in oder entgegen einer Längsrichtung (51) verbiegt.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) zumindest eine nach außen orientierte Wölbung (55, 56) aufweist, und/oder dass die Hülse (32) mehrere nach außen orientierte Wölbungen (55, 56) aufweist, die aneinander angrenzen.
Aktormodul nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (32) zumindest abschnittsweise wellenförmig ausgestaltet ist.
Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit einem Aktormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und einem von dem Aktormodul (2) betätigbaren Ventilschließkörper (12), der mit einer Ventilsitzfläche (11) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt.