DE19909451A1

DE19909451A1 - Injektor mit einem Piezo-Mehrlagenaktor

Info

Publication number: DE19909451A1
Application number: DE1999109451
Authority: DE
Inventors: Rudolf Heinz; Roger Potschin; Friedrich Boecking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere für "Common Rail"-Dieseleinspritzsysteme von Kraftfahrzeugen mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1) insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten (2), wobei die Mantelfläche (3) des Aktorkörpers (1) unter Einhaltung eines Zwischenraums (4) von einem Injektorgehäuse (5) umgeben ist. Der Injektor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in das Injektorgehäuse (5) ein den Aktorkörper (1) zumindest teilweise umströmendes flüssiges Kühlmittel strömt und die Mantelfläche (3) des Aktorkörpers (1) durch eine elastische, gut wärmeleitfähige Elektroisolationsschicht (7) elektrisch gegenüber dem Kühlmittelstrom isoliert ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere für "Common-Rail"-Dieseleinspritzsysteme von Kraftfahrzeugen mit einem piezoelektrischen Aktorkörper insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinander geschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und da zwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei die Mantelfläche des Aktorkörpers unter Einhaltung eines Zwischenraums von einem Injektorgehäuse umgeben ist.

Ein derartiger Injektor mit Piezo-Mehrlagenaktor ist z. B. aus der DE 196 50 900 A1 der Robert Bosch GmbH bekannt.

Wie allgemein bekannt, können mit piezoelektrischen Mehrlagen-Aktoren ausgestattete Einspritzventile im Ver gleich mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen schneller schalten. Allerdings muß bei der Gestaltung eines mit einem piezoelektrischen Aktor ausgestatteten Injektors darauf geachtet werden, daß durch innere Verluste im piezoelektrischen Körpers des Aktors Verlustwärme entsteht, die abgeführt werden muß, damit sich der Aktor nicht überhitzt. Diese Erwärmung kann zum einen durch thermische Ausdehnung des Aktorkörpers den Aktor beschädigen oder zerstören. Zum anderen wird durch die Erwärmung des Aktorkörpers möglicherweise die Curie-Temperatur überschritten, wenn der Verbrennungsmotor auf hohem Temperaturniveau arbeitet. Weiterhin ändert sich durch die Erwärmung des Aktorkörpers die Kapazität des Aktors.

Es ist bekannt, daß die innere Erwärmung des Piezoaktors durch eine Kühleinrichtung stark reduziert werden kann. Da jedoch die Keramikmaterialien der Piezokeramik des Aktorkörpers eine schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, ist eine passive Wärmeableitung innerhalb des Aktorkörpers oder von der äußeren Mantelfläche desselben ungünstig. Eine aktive Kühlung des Piezoaktors mit einem im Kraftfahrzeug oder im Verbrennungsmotor vorhandenen flüssigen Kühlmittel z. B. Kraftstoff, Wasser oder Motoröl ist kritisch, da solche flüssigen Kühlmittel keine perfekten Dielektrika sind und elektrisch leitende Bestandteile enthalten. Dadurch besteht im Betrieb die Gefahr eines Kurzschlusses.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen mit einem Piezo-Mehrlagenaktor ausgestatteten Injektor mit einer den Aktorkörper möglichst gleichmäßig umspülenden aktiven Kühlung mit einem flüssigen Kühlmittel anzugeben, möglichst mit einem im Kraftfahrzeug vorhandenen flüssigen Kühlmittel.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt ist ein erfindungsgemäßer Injektor dadurch gekennzeichnet, daß in das Injektorgehäuse ein den Aktorkörper zumindest teilweise umströmendes flüssiges Kühlmittel strömt und die Mantelfläche des Aktorkörpers durch eine elastische, gut wärmeleitfähige Elektroisolationsschicht elektrisch gegenüber dem Kühl mittelstrom isoliert ist.

Die Schichtdicke der elastischen, wärmeleitfähigen Elektroisolationsschicht sollte dünn gewählt werden, so daß eine möglichst gute elektrische Isolation und eine ausreichende Elastizität gewährleistet sind und daß die thermische Isolation möglichst gering ist. Z. B. kann die Elektroisolationsschicht aus hochelastischem Lack gebildet sein oder durch eine Kunststoffumspritzung erreicht werden.

Wenn das zur Kühlung verwendete flüssige Kühlmittel Motoröl oder Kühlwasser ist, sind im Injektorgehäuse Dichtmittel im Bereich des ventilseitigen Endes des Aktorkörpers so vorgesehen, daß sie den von dem flüssigen Kühlmittel durchströmten Zwischenraum um den Aktorkörper gegenüber einem zum Einspritzventil hin anschließenden Raum im Injektorgehäuse abdichten.

Wenn stattdessen das für die Kühlung zugeführte flüssige Kühlmittel der durch den Injektor einzuspritzende Kraftstoff ist, ist eine innere Abdichtung im Gehäuse zum Einspritzventil hin nicht nötig. Dann kann der vom Kraftstoff durchströmte Zwischenraum um den Aktorkörper mit dem zum Injektorventil hin anschließenden Raum im Injektorgehäuse kommunizieren, wodurch eine konstruktive Vereinfachung erreicht ist.

Durch die erfindungsgemäße aktive Kühlung des piezo elektrischen Aktorkörpers, bevorzugt durch Kraftstoff, wird die innere Erwärmung des Aktorkörpers wirksam verhindert. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Isolation wenigstens der Mantelfläche des Aktorkörpers mittels einer elastischen, gut wärmeleitfähigen Elektroisolationsschicht gegenüber dem Kühlmittel wird wirksam der Gefahr von Spannungsüberschlägen oder Kurzschlüssen begegnet.

Die obigen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachstehend in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläuternden Beschreibung noch deutlicher.

Die einzige Figur zeigt in Form eines schematischen Längsschnitts einen Abschnitt eines einen Piezo-Mehr lagenaktor enthaltenden erfindungsgemäßen Injektors.

Ausführungsbeispiel

Bei dem in der einzigen Figur in Form eines schematischen Längsschnitts gezeigten Injektor ist ein piezoelektrischer Aktor 1 unter Einhaltung eines Zwischenraums 4 von einem Injektorgehäuse 5 umgeben.

Die einander gegenüberliegenden Stirnseiten des im Querschnitt z. B. kreisrunden Aktorkörpers 1 sind zwischen einer (in der Figur) unteren axial beweglichen Kopfplatte 12 und einer oberen am Injektorgehäuse 5 festgelegten Fußplatte 13 durch ein unterhalb der Kopfplatte 12 sitzendes Tellerfederpaket 11 mechanisch vorgespannt.

Wenn eine pulsierende elektrische Spannung an die mit den im piezoelektrischen Mehrlagenaktor 1 liegenden Elektro denschichten 2 in Kontakt stehenden gemeinsamen Elek trodenleitungen 8 und 9 angelegt wird, führt der Aktor körper 1 analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen der festgelegten Fußplatte 13 und der beweglichen Kopfplatte 12 entgegen der vom Tellerfederpaket 11 ausgeübten Vorspannungskraft aus. Diese Hübe werden an der Kopfplatte 12 über einen Stößel 14 auf die (nicht dargestellte) Nadel eines Einspritzventils übertragen (siehe Wirkungspfeil V).

Durch eine (nicht dargestellte) Öffnung in der Wand des Injektorgehäuses 5 kann flüssiges Kühlmittel in den Zwischenraum 4 zwischen der Mantelfläche 3 des Aktorkörpers 1 und der Innenwand des Injektorgehäuses 5 strömen, welches die durch den Betrieb des piezoelektrischen Aktors hervorgerufene innere Erwärmung des piezoelektrischen Aktors stark reduziert.

Um zu vermeiden, daß das flüssige Kühlmittel, das durch den Zwischenraum 4 fließt, zu Spannungsüberschlägen und Kurzschlüssen zwischen den Elektrodenschichten 2 sowie zwischen denselben und den gemeinsamen Elektrodenzu leitungen 8 und 9 führt, ist die Mantelfläche 3 des Aktorkörpers 1 durch eine elastische gut wärmeleitfähige Elektroisolationsschicht 7 elektrisch gegenüber dem flüssigen Kühlmittel im Zwischenraum 4 isoliert. Die durch die Elektroisolationsschicht 7 bewirkte Isolation isoliert auch die mit den Elektrodenschichten 2 in Kontakt stehenden gemeinsamen Elektrodenzuleitungen 8 und 9 gegenüber dem flüssigen Kühlmittel. Die Schichtdicke der Elektroisolationsschicht 7 ist dabei so dünn, daß die thermische Isolation möglichst gering ist. Bevorzugt kann die Isolation mit einem hochelastischen Lack oder mit einer Elastomerumhüllung des Aktorkörpers 1 erreicht werden. Dabei muß Sorge dafür getragen werden, daß der piezoelektrische Aktor 1 möglichst gleichmäßig vom Kühlmittel umspült wird.

Bevorzugt wird zur Kühlung der dem Verbrennungsmotor einzuspritzende Kraftstoff verwendet. In diesem Fall braucht der vom kühlenden Kraftstoff durchströmte Zwischenraum 4 um den Aktorkörper 1 nicht gegenüber dem an der Kopfplatte 12 anschließenden Raum abgedichtet zu werden, sondern kann mit diesem Raum kommunizieren.

Wird dagegen ein anderes flüssiges Kühlmittel zur Kühlung des piezoelektrischen Aktors 1 verwendet, z. B. Kühlwasser oder Motoröl, so muß der unterhalb der Kopfplatte 12 liegende Raum durch Dichtungsmittel gegenüber dem vom flüssigen Kühlmittel durchströmten Zwischenraum 4 abge dichtet werden. Lediglich beispielhaft ist in der Figur ein O-Ring 10 als Dichtungsmittel eingezeichnet. Statt einem O- Ring kann auch eine die Hübe der Kopfplatte 12 nicht behindernde Stahlmembran verwendet werden.

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen aktiven Kühlung des piezoelektrischen Aktors 1 wird die innere Erwärmung desselben stark reduziert. Mit der weiterhin vorge schlagenen, den piezoelektrischen Aktor 1 isolierend umhüllenden wärmeleitfähigen Elektroisolationsschicht 7 wird der Gefahr von Spannungsüberschlägen und Kurzschlüssen an den Elektrodenschichten 2 und den gemeinsamen Elektrodenzuleitungen 8 und 9 im Bereich des Aktors 1 begegnet. Bei der vorgeschlagenen Kühlung mit Kraftstoff ist eine innere Abdichtung zum Injektor nicht nötig. Ein solcher erfindungsgemäßer Injektor eignet sich sehr gut zum Einspritzen von Kraftstoff bei "Common-Rail"- Injektorsystemen.

Claims

1. Injektor, insbesondere für "Common-Rail"-Dieselein spritzsysteme von Kraftfahrzeugen mit einem piezoelek trischen Aktorkörper (1) insbesondere in Form eines viel schichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten (2), wobei die Mantelfläche (3) des Aktorkörpers (1) unter Einhaltung eines Zwischenraums (4) von einem Injektorgehäuse (5) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß in das Injektorgehäuse (5) ein den Aktorkörper (1) zumindest teilweise umströmendes flüssiges Kühlmittel strömt und die Mantelfläche (3) des Aktorkörpers (1) durch eine elastische, gut wärmeleitfähige Elektroisolationsschicht (7) elektrisch gegenüber dem Kühlmittelstrom isoliert ist.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroisolationsschicht (7) auch mit den Elek trodenschichten (2) in Kontakt stehende gemeinsame Elek trodenzuleitungen (8, 9) im Bereich des Aktorkörpers (1) gegenüber dem flüssigen Kühlmittelstrom isoliert.

3. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß im Injektorgehäuse (5) Dichtmittel (10) im Bereich des ventilseitigen Endes des Aktorkörpers (1) so vorgesehen sind, daß sie den von dem flüssigen Kühlmittel durchströmten Zwischenraum (4) um den Aktorkörper (1) gegenüber einem zum Injektorventil (V) hin anschließenden Raum im Injektorgehäuse (5) abdichten.

4. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das flüssige Kühlmittel der dem Verbren nungsmotor eingespritzte Kraftstoff ist.

5. Injektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kraftstoffdurchströmte Zwischenraum (4) um den Aktorkörper (1) mit einem zum Injektorventil (V) hin anschließenden Raum im Injektorgehäuse (4) kommuniziert.

6. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroisolationsschicht (7) durch einen hochelastischen Lack gebildet ist.

7. Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroisolationsschicht durch einen Elastomermantel gebildet ist.