DE10251225A1

DE10251225A1 - Piezoaktorkontaktierung für Einspritzventil

Info

Publication number: DE10251225A1
Application number: DE10251225A
Authority: DE
Inventors: Marcus Unruh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: WO2004042226A1; EP1558844A1; EP1558844B1; DE10251225B4; DE50313376D1

Abstract

Auf den Piezoaktor (18) und die Anschlussstifte (1) ist eine Kopfplatte (3) aufgesetzt, die Öffnungen (8) zum Durchtritt der Stifte (1) aufweist. Um eine dauerhafte, insbesondere öldichte Abdichtung zwischen dem Piezoaktor (18) und der Außenkontaktierung zu schaffen, wird vorgeschlagen, einen kraftstoffbeständigen Dichtring (O-Ring) (12) in jede Öffnung (8) einzusetzen. In jeder Durchtrittsöffnung (8) ist außerdem unterhalb des Dichtringes (12) eine Hülse (14) aus Isolationsmaterial eingesetzt, die eine Zentrierung des Anschlussstiftes (1) in der Durchtrittsöffnung (8) bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Piezoaktorkontaktierung für ein Einspritzventil eines Verbrennungsmotors, mit aus einem Piezoaktor hervorstehenden Anschlussstiften, an die eine elektrische Außenverbindung anschließbar ist, und mit einer auf den Piezoaktor und die Anschlussstifte aufgesetzten Kopfplatte, in der Öffnungen zum Durchtritt der Anschlussstifte vorgesehen sind, wobei die Öffnungen einen größeren Durchmesser als die Anschlussstifte aufweisen, so dass zwischen jedem Anschlussstift und der Wandung der betreffenden Öffnung jeweils ein Ringspalt gebildet ist.

Eine derartige Piezoaktorkontaktierung ist bereits aus der DE 199 40 347 A1 bekannt.

Für die Kraftstoffversorgung von Verbrennungsmotoren werden zunehmend Hochdruck-Einspritzsysteme verwendet. Bekannt sind Pumpe-Düse-Dieseleinspritzsysteme und Speichereinspritzsysteme wie Common-Rail-Systeme (für Dieselmotoren) und HPDI-Einspritzsysteme (für Ottomotoren). Bei den Speichereinspritzsystemen wird der Kraftstoff mit einer Hochdruckpumpe in einen allen Zylindern des Motors gemeinsamen Druckspeicher gefördert, von dem aus die Einspritzventile an den einzelnen Zylindern versorgt werden. Die Steuerung des Öffnens und Schließens der Hochdruck-Einspritzventile kann elektromagnetisch oder elektrisch erfolgen; im vorliegenden Fall werden dazu elektrische Piezoaktoren herangezogen. Die Düsennadel des Einspritzventils kann vom Piezoaktor direkt oder indirekt, über ein Steuer- oder Servoventil, angesteuert werden.

Bei elektrischer Erregung über die Anschlussstifte wird in einem Piezoaktor bekanntlich eine Verformung des Aktorkörpers in Längsrichtung erzeugt; dieser Hub des Aktors wird zur Steuerung des Ventils verwertet. Da die Piezokeramik insbe sondere gegen chemische Umgebungseinflüsse empfindlich ist, ist es üblich, ein Aktorgehäuse bzw. eine Kopfplatte vorzusehen, aus dem jedoch die Kontakte für die elektrische Außenverbindung des Aktors in möglichst abdichtender Weise herausführbar sein müssen.

Aus der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift DE 199 40 347 A1 ist eine elektrische Verbindungsvorrichtung zum Aufsetzen auf parallel hervorstehende Anschlussstifte eines mit einer Kopfplatte versehenen piezoelektrischen Bausteins bekannt, die einen Trägerkörper aus Isoliermaterial mit Bohrungen zum Hindurchschieben der Anschlussstifte umfasst. Eine solche Zwischenvorrichtung wird häufig benutzt, um eine Weiterkontaktierung des Piezoaktors über Steckverbinder zu ermöglichen, das heißt, sie soll den Übergang von den (für eine unmittelbare Steckverbindung wenig geeigneten) Anschlussstiften zu passenden, im Trägerkörper angeordneten, Kontaktgliedern herstellen, welche dann mit den Gegenkontaktgliedern der anderen Verbinderhälfte zusammensteckbar sind.

Da derartige Verbindungsvorrichtungen den Piezoaktor auch vor schädlichen Umgebungseinflüssen schützen sollen, wie sie im Umfeld eines Verbrennungsmotors herrschen, empfiehlt es sich, die Vorrichtung nach dem Aufbringen auf den Piezoaktor mit einer isolierenden Umspritzung aus Kunststoff zu versehen, die gleichzeitig auch ein Verbindergehäuse zum Einstecken und sicheren Sitz einer anzuschließenden Steckverbinderhälfte bildet. Beim Umspritzen können jedoch Probleme auftreten, falls die bei hoher Temperatur und hohem Druck verarbeitete Spritzmasse bis zum Piezoaktor vordringt. Um dies zu vermeiden und um für die aus dem Aktorgehäuse ausgetretenen Anschlussstifte keine separaten Dichtelemente, beispielsweise O-Ringe, an einer Durchgangsstelle im Trägerkörper – mit entsprechend erschwerter Handhabung beim Herstellen und Aufsetzen der Vorrichtung auf die Stifte – vorsehen zu müssen, schlägt die bekannte Vorrichtung kopfplattenseitig am Trägerkörper angeformte Manschetten vor, die dicht passend in den Ringspalt der jeweils zugeordneten Kopfplattenöffnung eingeführt werden.

Für zukünftige Anwendungen von piezogesteuerten Ventilen in Verbrennungsmotoren dürfte der allgemeine Schutz vor dem Eindringen von flüssigen Medien in den Raum des Piezos gegenüber den nur bei der Herstellung auftretenden Abdichtungsproblemen, wie dem Umspritz-Problem und der Verhinderung des Eindringens von Reinigungs- und Schmiermitteln während des Fertigungsprozesses, in den Vordergrund treten. Insbesondere soll zukünftig die elektrische Kontaktierung des Piezoaktors in einem Dieselmotor innerhalb des Zylinderkopfes unterhalb des Zylinderkopfdeckels angeordnet werden. Dadurch würde der Piezoaktor, bzw. sein Gehäuse und sein Stecker, im Betrieb permanent von Motoröl umspült, das im Falle des Eindringens den Piezoaktor zerstören könnte.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei geringem baulichen Aufwand eine auch dauerhaft und in schwieriger Umgebungssituation zuverlässige Abdichtung der Piezoaktorkontaktierung zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei der erfindungsgemäßen Piezoaktorkontaktierung der eingangs genannten Art sind Dichtringe aus einem dichtenden und elektrisch isolierenden Material derart in die Durchtrittsöffnungen eingesetzt, dass ein Dichtring zwischen dem jeweiligen Anschlussstift und der Wandung der betreffenden Öffnung abdichtend zur Anlage kommt. Ferner ist in jeder Durchtrittsöffnung unterhalb des Dichtringes eine Hülse aus Isolationsmaterial eingesetzt, die eine Zentrierung des Anschlussstiftes in der Durchtrittsöffnung bewirkt.

Demnach besteht das Prinzip der Erfindung zunächst darin, als Abdichtungsstelle die Durchtrittsöffnung in der Kopfplatte zu wählen, da diese die kleinste (kürzeste) zu dichtende Stelle ist. Die Erfindung erlaubt es, einen handelsüblichen Elastomer-Dichtring (O-Ring) mit dichtenden und elektrisch isolierenden Eigenschaften zu wählen, sofern gleichzeitig das Einsetzen einer Isolationshülse unterhalb des Dichtringes zur Zentrierung und elektrischen Isolation der Anschlussstifte regen die metallische Kopfplatte des Piezoaktor vorgesehen wird.

Die erfindungsgemäße abgedichtete Piezoaktorkontaktierung lässt sich einfach und kostengünstig herstellen, ermöglicht eine einfache Montage und bietet vor allem eine dauerhaft sichere Abdichtungsfunktion gegenüber flüssigen Medien mit hohen Drücken. Insbesondere schafft die Erfindung eine öldichte Kontaktierung für einen gehäusten Piezoaktor, bei der der zur Verfügung stehende Bauraum optimal genutzt wird.

Es ist von besonderem Vorteil, wenn oberhalb der Kopfplatte ein Kunststoff-Formteil vorgesehen ist, das Bohrungen für die Anschlussstifte aufweist und das nach dem Aufsetzen auf die Anschlussstifte wenigstens teilweise formschlüssig an den Anschlussstiften und an der Kopfplatte anliegt. Dadurch wird das eigentliche Dichtelement, der Dichtring, selbst auch noch vor Beschädigungen oder Dichtungsverlust, insbesondere bei nachfolgenden Herstellungsprozessen, geschützt. Ein erheblicher Vorteil entsteht zusätzlich dadurch, dass die mechanische Stabilität der dichten Piezoaktorkontaktierung durch die zentrierende Stützwirkung des Kunststoff-Formteils weiter verbessert wird. Auch die Dichtwirkung an sich wird unterstützt, da der zwischen Kunststoff-Formteil und Isolationshülse wie in einer Dichtnut geführte Dichtring bei Druckbelastung ein optimales Verformungsverhalten entwickeln kann.

Dieses Kunststoff-Formteil kann insbesondere durch den Trägerkörper einer elektrischen Verbindungsvorrichtung zur Wei terkontaktierung der Anschlussstifte gebildet sein. Diese angepasste Gestaltung der Weiterkontaktierung übernimmt insbesondere den Schutz des unterhalb des Kunststoff-Formteils befindlichen Dichtringes gegen Beschädigung in nachfolgenden Fertigungsprozessen, beispielsweise bei einer die Herstellung abschließenden Kunststoffumspritzung.

Es ist demnach von Vorteil, dass zumindest ein Teil der Piezoaktorkontaktierung gemeinsam mit der Verbindungsvorrichtung mit einer Steckeranspritzung aus Kunststoff versehen ist, wobei das Kunststoff-Formteil der Verbindungsvorrichtung zugleich als Schutz für die Dichtringe während des Umspritzens mit Kunststoff dient.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1, in teilweise aufgeschnittener Darstellung, eine erfindungsgemäße Piezoaktorkontaktierung mit aufgesetzter Verbindungsvorrichtung und mit Steckeranspritzung,
2 die Piezoaktorkontaktierung gemäß Figur. 1, jedoch aus um 90° gedrehter Blickrichtung gesehen,
3 eine Vergrößerung des in 2 aufgeschnitten dargestellten Abdichtungsbereiches,
4 eine andere Ausgestaltung des in 3 gezeigten Abdichtungsbereiches,
5 eine Draufsicht schräg von oben auf sechs verschiedenen Herstellungsstadien einer erfindungsgemäßen Piezoaktorkontaktierung.
1 zeigt die erfindungsgemäße Piezoaktorkontaktierung mit den typischerweise parallel hervorstehenden Anschlussstiften 1 und einer auf die Stifte 1 und die Oberseite des Piezoaktors bzw. des Piezoaktorgehäuses 2 aufgesetzten Kopfplatte 3. Ferner dargestellt ist eine weiterkontaktierende Verbindungsvorrichtung mit einem Trägerkörper 4 aus Isolier material. In den Trägerkörper 4 sind metallische, in der dargestellten Weise abgewinkelte Kontaktglieder 5 eingegossen. Die äußeren freien Enden der Kontaktglieder 5 stehen seitlich ab, sie dienen zum Aufschieben der Steckkontakte von äußeren Zuleitungen (nicht dargestellt). Die Anschlussstifte 1 werden mit dem zugehörigen Kontaktglied 5 typischerweise verschweißt. Dargestellt ist außerdem eine Steckeranspritzung 6 aus Kunststoffmaterial, die durch Umspritzen des Trägerkörpers 4 und des oberen Teils 7 des (metallischen) Piezoaktorgehäuses 2, unter Bewahrung der Zugänglichkeit der Kontaktglieder 5, zu Stande kommt. Erkennbar ist auch, das die Durchtrittsöffnungen 8 in der Kopfplatte 3 zu den durch sie durchgehenden Anschlussstiften 1 hin jeweils einen Ringspalt (besser zu erkennen in 3) freilassen. Der unterhalb der Kopfplatte 3 liegende Aktorraum 9 mit dem Piezoaktor (nicht dargestellt) wird mittels des im Folgenden näher beschriebenen Abdichtungsbereiches dauerhaft gegen das Eindringen von flüssigen Medien abgedichtet.
2 zeigt einen Schnitt B-B durch die in 1 dargestellte Anordnung, wobei der (in 2 durch "Einkreisung" markierte) Abdichtungsbereich 10 in 3 vergrößert dargestellt wird.
3 zeigt vergrößert den im Schnitt dargestellten Abdichtungsbereich 10 gemäß 2. Zwischen dem zentralen Bereich und der Peripherie 11 der Kopfplatte 3 sind zwei Durchtrittsöffnungen 8, jeweils mit einem hindurchgeführten Anschlussstift 1, dargestellt. Im oberen Bereich der Öffnungen 8 ist jeweils ein kraftstoffbeständiger Elastomer-Dichtring 12 erkennbar. Die Öffnungen 8 in der Kopfplatte 3 können durchgehend oder mit einer Stufe 13 ausgeführt sein. Dieses ist abhängig von der Größe der einzusetzenden Dichtringe. Die in 3, rechts, beispielhalber dargestellte rechte Durchtrittsöffnung 8 hat auf Grund der Stufe 13 im oberen Bereich eine größere Weite als im unteren Bereich. Dies ist zum einen deshalb vorteilhaft, da derartige Dichtringe mit zunehmenden Durchmesser eine bessere Dichtwirkung aufweisen. Zum anderen besteht eine Stützwirkung der Stufe 13 auf den Dichtring 12.
Unterhalb der O-Ringe 12 ist jeweils eine Isolationshülse 14 aus Kunststoff (typischerweise ein Spritzgussteil) eingesetzt, die eine Zentrierung des Anschlussstiftes 1 in der Öffnung 8 der Kopfplatte 3 übernimmt. Dies ist erforderlich, da insbesondere die Weite der Öffnung 8 und der Durchmesser der Stifte 1 toleranzbehaftet sind und die elastisch nachgebenden Dichtringe 12 allein eine beispielsweise durch die Toleranzen bedingte Verkippung der Stifte 1 nicht verhindern könnten. Gleichzeitig stellt die Isolationshülse 14 die untere Begrenzung einer "Dichtringnut" dar, in der sich das elastische Material des Dichtringes 12 bei Belastung in abdichtender Weise anpassen kann.
Oberhalb des Dichtrings 12 übernimmt vorteilhaft ein Kunststoff-Formteil 4 der Weiterkontaktierung die Zentrierung des Stifts 1. Dieses Formteil 4 ist dabei so ausgestaltet, dass es am jeweiligen Stift 1 und teilweise auch an der Oberseite und/oder in der Öffnung 8 der Kopfplatte 3 formschlüssig anliegt, wodurch es neben der Zentrierungswirkung gleichzeitig den jeweils darunter befindlichen Dichtring 12 gegen eine Beschädigung oder Dichtungsverlust bei nachfolgenden Herstellungsprozessen schützt, beispielsweise bei einer finalen Kunststoffumspritzung des gesamten Bauteils. Die Formteile 4 für die verschiedenen Öffnungen 8 werden typischerweise einstöckig miteinander zusammenhängend, insbesondere den Trägerkörper 4 der Weiterkontaktierung bildend, ausgeführt.
In 3 erkennbar ist ferner ein vorstehender, am kopfplattenseitigen Rand der Bohrungen des Formteils 4 angeformter kleiner Ansatz 15, der beim Aufsetzen auf die Anschlussstifte 1 im oberen Bereich der jeweiligen Durchtrittsöffnung 8 der Kopfplatte 3, einen Dichtspalt bildend, zur Anlage kommt. Dieser Ansatz 15 ist in der Ausführung gemäß 4 stärker betont; aufgrund der größeren Länge des Ansatzes 15 rücken in der Durchtrittsöffnung 8 der Dichtring 12 und die Isolationshülse 14 dann, wie dargestellt, entsprechend näher zusammen.
Des Weiteren bildet das Formteil 4 die obere Begrenzung der "Dichtringnut". Durch den Einsatz von Isolationshülse 14 und Formteil 4 der Weiterkontaktierung erzielt man in Bauraum einsparender Weise eine "gebaute Dichtringnut". Durch den beschriebenen Aufbau ist gewährleistet, dass bei einer fertig hergestellten Piezoaktorkontaktierung trotz Außenverbindung der Kontakte kein flüssiges Medium, insbesondere kein Motoröl, in den Piezoraum 9 unterhalb der Kopfplatte 3 eindringen kann. Auch bei mechanischen Belastungen wie Motorvibrationen kann durch die doppelte Zentrierung der Stifte 1 und die mittig gelagerten Dichtringe die Stabilität der Piezoaktorkontaktierung aufrechterhalten werden, so dass keine Kurzschlüsse bzw. Undichtigkeiten im Zusammenhang mit der Durchführung der Stifte 1 auftreten.
Der Piezoaktor kann im übrigen ohne weiteres auch mehr als zwei Kontakte bzw. Anschlussstifte 1 aufweisen.
5 zeigt die aufeinanderfolgenden Stadien der Herstellung des gesamten Aufbaus der Piezoaktorkontaktierung im Überblick. Wenn über die Anschlussstifte 1 eine Steuerspannung an den Piezoaktor 18 angelegt wird, reagiert dieser mit einer Längung des Aktorkörpers; dieser Hub kann z. B. über eine Fußplatte 16 des Aktors 18 mechanisch bzw. hydraulisch weitergeleitet werden. Der Piezoaktor 18, üblicherweise als Vielschicht-Piezostack ausgeführt, wird in eine Rohrfeder 17 eingebracht, die mit der Fußplatte 16 verschweißt wird. Die Rohrfeder 17 ist mit der Kopfplatte 3 so verbunden, dass sie unter einer gewissen Vorspannung steht, welche als Rückstellkraft für den Piezoaktor 18 wirkt.
Zur Montage der Piezoaktorkontaktierung wird zunächst, wie in 5, ganz rechts, erkennbar, ein ungehäuster, mit zwei Anschlussstiften 1 versehener Piezoaktor 18 bereitgestellt. Im nächsten Schritt, vgl. das zweite Bild von rechts, wird eine Isolationshülse 14 mit gleitender Passung auf jeden der Stifte 1 aufgesteckt. Anschließend werden die mit der Isolationshülse 14 versehenen Stifte 1 durch eine Kopfplatte 3 hindurchgeführt und der Piezoaktor 18 wird zwischen der Kopfplatte 3 und einer Fußplatte 16 mittels einer Rohrfeder 17 verspannt. Das dritte Bild von rechts zeigt, wie die Dichtringe 12 von oben auf die Stifte 1 der so weit vorbereiteten Piezoaktorkontaktierung aufgesetzt werden. Das vierte Bild von rechts zeigt dann bereits das Fertigungsstadium, in welchem die Dichtringe 12 von oben her in die jeweilige Öffnung 8 der Kopfplatte 3 bis in eine Position oberhalb der zugehörigen Isolationshülse 14, jedoch innerhalb der Kopfplatte 3, fertig eingeschoben sind.
Das fünfte Bild von rechts in 5 zeigt eine in ein Gehäuse 2 eingesetzte Piezoaktorkontaktierung zusammen mit einer noch nicht auf die Stifte 1 aufgesetzten Verbindungsvorrichtung mit dem Trägerkörper 4. Das erste Bild von links in 5 zeigt die fertige Piezoaktorkontaktierung mit aufgesetztem Trägerkörper 4 der Weiterkontaktierung, wobei der obere Teil des gesamten Aufbaus in einer perspektivisch aufgeschnitten Darstellung gezeigt ist.

Claims

Piezoaktorkontaktierung für ein Einspritzventil eines Verbrennungsmotors, mit aus einem Piezoaktor (18) hervorstehenden Anschlussstiften (1), an die eine elektrische Außenverbindung anschließbar ist, und mit einer auf den Piezoaktor (18) und die Anschlussstifte (1) aufgesetzten Kopfplatte (3), in der Öffnungen (8) zum Durchtritt der Anschlussstifte (1) vorgesehen sind, wobei die Öffnungen (8) einen größeren Durchmesser als die Anschlussstifte (1) aufweisen, so dass zwischen jedem Anschlussstift (1) und der Wandung der betreffenden Öffnung (8) jeweils ein Ringspalt gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, – dass Dichtringe (12) aus einem dichtenden und elektrisch isolierenden Material derart in die Durchtrittsöffnungen (8) eingesetzt sind, dass ein Dichtring (12) zwischen dem jeweiligen Anschlussstift (1) und der Wandung der betreffenden Öffnung (8) abdichtend zur Anlage kommt, – und dass in einer Durchtrittsöffnung (8) unterhalb des Dichtringes (12) eine Hülse (14) aus Isolationsmaterial eingesetzt ist, die eine Zentrierung des Anschlussstiftes (1) in der Durchtrittsöffnung (8) bewirkt.
Piezoaktorkontaktierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der Kopfplatte (3) ein Kunststoff-Formteil (4) vorgesehen ist, das Bohrungen für die Anschlussstifte (1) aufweist und das nach dem Aufsetzen auf die Anschlussstifte (1) wenigstens teilweise formschlüssig an den Anschlussstiften (1) und an der Kopfplatte (3) anliegt.
Piezoaktorkontaktierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am kopfplattenseitigen Rand der Bohrungen des Kunststoff-Formteils (4) jeweils ein vorstehender Ansatz (15) angeformt ist, der beim Aufsetzen auf die Anschlussstifte (1) im oberen Bereich der jeweiligen Durchtrittsöffnungen (8) der Kopfplatte (3), einen Dichtspalt bildend, zur Anlage kommt.
Piezoaktorkontaktierung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoff-Formteil (4) durch den Trägerkörper (4) einer elektrischen Verbindungsvorrichtung zur Weiterkontaktierung der Anschlussstifte (1) gebildet ist.
Piezoaktorkontaktierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Piezoaktorkontaktierung gemeinsam mit der Verbindungsvorrichtung mit einer Steckeranspritzung (6) aus Kunststoff versehen ist, wobei das Kunststoff-Formteil (4) der Verbindungsvorrichtung zugleich als Schutz für die Dichtringe (12) während des Umspritzens mit Kunststoff dient.