WO2005116442A1 - Einspritzventil und verfahren zum herstellen eines einspritzventils - Google Patents

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WO2005116442A1
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filling material
piezo actuator
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PCT/EP2005/052063
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Günter LEWENTZ
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an injection valve and an injection valve, in particular an injection valve for metering fuel in a combustion chamber of a cylinder of an internal combustion engine.
  • an injection valve is known with an injector housing which has a recess.
  • a piezo actuator is also assigned to the injection valve the recess of the injector housing is arranged and which comprises a stack of piezoelectric elements.
  • the piezo actuator is introduced into a tubular spring which is firmly connected at its axial ends to caps, via which a biasing force caused by the tubular spring is introduced into the stack of piezoelectric elements.
  • Two bellows are arranged in the recess of the injector housing, which ensure that the piezoelectric actuator does not come into contact with fuel.
  • the injector housing which is regularly made of steel, and the stack of piezoelectric elements have significantly different coefficients of thermal expansion.
  • the injection valve When the injection valve is used in an internal combustion engine, the injection valve must be able to be operated at very different temperatures, and relatively rapid changes in temperature can also occur during operation.
  • the object of the invention is to provide an injection valve in which reliable operation is ensured over a wide temperature range.
  • the invention is characterized by an injection valve with an injector housing, which has a recess, with a piezo actuator, which is arranged in the recess of the injector housing and which comprises a stack of piezoelectric elements and a thermal compensation element.
  • An area of a gap between the piezo actuator and one The wall of the recess of the injector housing is filled with a filling material that has a high thermal conductivity.
  • the area of the gap which is filled with the filling material can be the entire gap, that is to say the entire axial area over which the piezo actuator extends. However, it can also comprise only part of the axial extent of the piezo actuator.
  • the filler material provides a good thermal balance between the piezo actuator and the injector housing. This ensures that temperature differences between the piezo actuator and the injector housing are very small, both stationary and unsteady. This can easily ensure that temperature fluctuations of the piezo actuator or the injector housing have an insignificant effect on the control behavior of an actuator of the injection
  • heat that is generated in the piezo actuator can be dissipated very well via the injector housing. This is an important advantage in particular in the case of multiple injections during a working cycle of a cylinder of an internal combustion engine.
  • the gap in the axial area in which the thermal compensation element is arranged is filled with the filler material.
  • the gap is free of the filler material.
  • the filler material can also fill the gap in the area between the piezoelectric elements and the wall of the recess of the injector housing to complete. If necessary, only the area of the gap between the piezoelectric elements and the wall of the recess of the injector housing or a part thereof can then be filled with the filling material.
  • a heat-conducting paste is particularly advantageously provided as the filling material, which comprises, in particular, polymers which are provided with fine and distributed, highly heat-conductive solid particles which, for example, Can be metals.
  • the filling material is a transformer oil.
  • Transformer oil is characterized by a very high thermal conductivity and very good electrical insulation properties.
  • the invention is further characterized by a method for producing the injection valve, in which an area of the gap between the actuator and a wall of the recess in the injector housing is filled with a filler material which has a high thermal conductivity.
  • a negative pressure is generated and then the filling material in the Gap introduced.
  • the negative pressure in particular when the negative pressure almost corresponds to vacuum, can ensure that any gases that are bound in the filling material, such as air, evaporate during filling and thus no undesirable excess pressure in the gap during the operation of the injection valve and any greater heating that may occur due to gas bubbles expanding accordingly.
  • the gap is accessible from outside the injector housing via two recesses, a first recess being suitable for filling the gap with the filling material and a second recess being suitable for venting the gap during filling with the filling material.
  • the filling material is introduced through a first recess.
  • the first and second recesses are then sealed.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the injection valve.
  • An injection valve (FIG. 1) has an injector housing 1 which has a recess 2 in the injector housing 1.
  • a piezo actuator which is coupled to a transmitter 6, is inserted into the recess 2.
  • the transmitter 6 is arranged in a leakage space 8.
  • the switching valve is coupled to the piezo actuator via the transformer 6 and is driven by it, that is to say the switching position of the switching valve 10 is set by means of the piezo actuator.
  • the switching valve 10 is arranged in a valve plate 12.
  • the injection valve further comprises a needle guide body 14 and a nozzle body 16.
  • the valve plate 12, the needle guide body 14 and the nozzle body 16 form a nozzle assembly which is fastened to the injector housing 1 by means of a nozzle clamping nut 18.
  • the needle guide body 14 has a recess which is continued as the recess 22 of the nozzle body 16 in the nozzle body 16 and in which a nozzle needle 24 is arranged.
  • the nozzle needle 24 is guided into the needle guide body 14.
  • a nozzle spring 26 clamps the nozzle needle 24 in a closing position. on, in which it prevents fuel flow through an injection nozzle 28.
  • a control chamber 30 is formed, which is hydraulically coupled to a high-pressure bore 32 via an inlet throttle. If the switching valve 10 is in its closed position, the control chamber 30 is hydraulically decoupled from the leakage chamber 8. This has the consequence that after the switching valve 10 is closed, the pressure in the control chamber 30 essentially adjusts to the pressure in the high-pressure bore 32.
  • the high-pressure bore 32 is hydraulically coupled to a high-pressure fuel accumulator and is thus supplied with fuel under a pressure of, for example, up to 2000 bar.
  • a pressure in the closing direction of the nozzle needle 24 is exerted on an end face of the nozzle needle 24 via the control chamber 30 due to the fluid pressure in the control chamber 30.
  • the nozzle needle 24 furthermore has a shoulder axially spaced apart from its end face, which is acted upon by fluid that flows through the high-pressure bore 32 in such a way that an opening force acts on the nozzle needle 24. In its open position, the nozzle needle 24 releases the fuel flow through the injection nozzle 28. Whether the nozzle needle 24 is in its open position or in its closed position depends on whether the force which is caused on the shoulder of the nozzle needle 24 by the pressure of the fluid there is greater or less than the force which is caused by the nozzle spring 26 and the pressure acting on the end face of the nozzle needle 24.
  • the switching valve 10 If the switching valve 10 is in its open position, fluid flows from the control chamber 30 through the switching valve 10 into the leakage chamber 8. With a suitable dimensioning of the inlet throttle, the pressure in the control chamber 30 then drops, which ultimately leads to a movement of the nozzle needle into its open position leads.
  • the pressure of the fluid in the leakage space 8 is significantly lower than the pressure of the fluid in the high pressure bore.
  • the piezo actuator comprises a stack 34 of piezoelectric elements and a compensating element 36, which is preferably designed as a block made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the stack of piezoelectric elements 34 and the compensating element 36 are introduced into a tubular spring 40.
  • the compensating element 36 can also be arranged outside the tubular spring 40.
  • the tubular spring 40 is welded at its one axial end to a first cap, which can optionally be designed as the transmitter 6. At its other axial end, the tubular spring 40 is welded to a fixing element 38.
  • the tubular spring 40 is under a predetermined prestress and thus prestresses the stack of the piezoelectric elements with a predeterminable force.
  • the fixing element 38 is preferably connected to the injector housing 1 in a positive and / or non-positive manner, in particular by caulking.
  • the tubular spring 40 can be designed differently. For example, it can have larger recesses in the region of the thermal compensation element 36.
  • the thermal compensating element has a coefficient of thermal expansion and an axial length which are selected such that at a same temperature of the thermal compensating element 36 and the injector housing 1, the axial expansion of the piezo actuator 4 behaves in the same way as the axial expansion of the injector housing when the temperature changes.
  • a filling material 44 is introduced in an axial region of the gap 41, which has a high thermal conductivity.
  • the axial region in which the filling material 44 is introduced into the gap is, for example in the embodiment of the injection valve according to FIG. 1, the axial region along which the compensating element 36 extends. In this way it is easily ensured that, even with larger temperature fluctuations of the injector housing 1 or also of the piezo actuator, no significant temperature differences occur between the injector housing and the piezo actuator, and thus a constant switching behavior of the injection valve can be ensured.
  • the axial region into which the filling material 44 in the gap 41 is separated from the region of the gap 41 which is free from the filling material 44 by an O-ring 46 or an equivalent insulating element is preferred.
  • a cheaply available o — ring 56 can be used for this without having to withstand high pressure differences.
  • the filling material 44 is preferably a thermal paste which comprises polymers and preferably has a high proportion of very fine particles which ensure good heat conduction.
  • the finest particles are, for example, made of silver, aluminum oxide, zinc oxide or the like.
  • the filler material 44 is introduced into the gap 41 through a first recess 48, which in this state makes the injection valve freely accessible from outside the injector housing 1 and the nozzle clamping nut 18.
  • a negative pressure is preferably generated in the gap, preferably almost a vacuum.
  • the gap is then filled with the filling material 44 in the axial area provided for this purpose.
  • the filling material can also be degassed before filling in order to ensure that the proportion of gases in the filling material 44 is very low. Then, however, it must be ensured that no new gas bubbles are introduced during filling.
  • a second recess 50 is provided, which is suitable for venting the gap 41 during the filling with the filler material 44. This can ensure during the filling process that the axial region of the gap 41, which is connected to the Filling material 44 is to be filled, is safely completely filled even without any voids.
  • both the first recess 48 and the second recess 50 are each sealed with a sealing element 52, 54.
  • a pot-shaped element has proven to be particularly suitable for this purpose. Nem pot bottom facing the gap 41 is introduced into the recess 48 or 50 and in which a ball is then caulked and thus a sealing, even high pressure-resistant seal of the respective recess 48.50 to the outside of the injection valve is guaranteed.
  • the entire gap is filled with the filling material 44 along its entire axial extent.
  • the first and second recesses 48, 50 should be designed for filling or venting in the area of the axial ends of the gap 41.
  • the piezoelectric elements are electrically insulated from the injector housing 1. This can be ensured, for example, by stacking piezoelectric elements 34 with an electrically insulating protective layer. In this case, however, it must be ensured that the filler material does not have such chemically aggressive properties that the protective layer could be damaged.
  • the protective layer which is regularly made of silicone, can then also be covered with a further protective cover which is insensitive to corresponding chemically aggressive media.
  • the filling material is a transformer oil which is characterized by a high thermal energy conductivity and on the other hand is a good electrical insulator.
  • the protective layer of the stack 34 of the piezoelectric elements can then optionally be dispensed with entirely.
  • the axial region of the gap 41 which is filled with the filling material, can cover any region of the gap 41.
  • the filling material 54 is introduced into the gap 41 only along a fraction of the axial extent of the compensating element 36.
  • the filling material 44 can also be formed from another material which is suitable for being introduced into the gap 41 and has a sufficiently high thermal conductivity. It is advantageous if the filling material 44 has the required elasticity in order to compensate for the linear expansion of the piezo actuator 4.

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Abstract

Ein Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse (1), das eine Ausnehmung (2) aufweist, einen Piezo-Aktuator (4), der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement (36) umfasst. Ein Bereich eines Spalts (41) zwischen dem Piezo-Aktuator (4) und einer Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) ist mit einem Füllmaterial (44) ausgefüllt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.

Description

Beschreibung
Einspritzventil und Verfahren zum Herstellen eines Einspritzventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzventils und ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil zum Zumessen von Kraftstoff in einem Brenn— räum eines Zylinders einer Brennkraftmaschine.
Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadsto f-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff- Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff—Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel- Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstof drücke bis zu 2000 bar. Für derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch mit einem Piezo-Aktuator. Derartige Einspritzventile zeichnen sich aus durch sehr kurze Ansprechzeiten des als Stellantrieb ausgebildeten Piezo-Aktuators . Sie ermöglichen so gegebenenfalls auch mehrfache Einspritzungen während eines Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine .
Aus der EP 1 111 230 A ist ein Einspritzventil bekannt mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist. Dem Einspritzventil ist ferner ein Piezo-Aktuator zugeordnet, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente umfasst. Der Piezo- Aktuator ist in eine Rohrfeder eingebracht, die an ihren axialen Enden mit Kappen fest verbunden ist, über die eine Vorspannungskraft hervorgerufen durch die Rohrfeder in den Stapel piezoelektrischer Elemente eingeleitet wird. In der Ausnehmung des Injektorgehäuses sind zwei Faltenbalge angeordnet, die gewährleisten, dass der piezoelektrische Aktuator nicht mit Kraftstoff in Kontakt kommt.
Das Injektorgehäuse, das regelmäßig aus Stahl hergestellt ist und der Stapel piezoelektrischer Elemente weisen erheblich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Bei einem Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine muss das Einspritzventil bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden können und während des Betriebs können auch relativ schnelle Änderungen der Temperatur auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, bei dem in einem weiten Temperaturbereich ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer E- lemente und ein thermisches Ausgleichselement umfasst. Ein Bereich eines Spalts zwischen dem Piezo-Aktuator und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses ist mit einem Füllmaterial ausgefüllt, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Der Bereich des Spalts, der mit dem Füllmaterial ausgefüllt ist, kann der gesamte Spalt sein, also der gesamte axiale Bereich, über den sich der Piezo-Aktuator erstreckt. Er kann jedoch auch nur einen Teil der axialen Erstreckung des Piezo-Aktuators umfassen. Durch das Füllmaterial erfolgt ein guter thermischer Ausgleich zwischen dem Piezo-Aktuator und dem Injektorgehäuse. So kann gewährleistet werden, dass Temperaturunterschiede zwischen dem Piezo-Aktuator und dem Injektorgehäuse stationär und instationär sehr gering sind. Dadurch kann einfach sichergestellt werden, dass sich TemperaturSchwankungen des Piezo-Aktuators oder des Injektorgehäuses unwesentlich auf ein Ansteuerverhalten eines Stellglieds des Einspritzventils auswirken.
Ferner kann so Wärme, die in dem Piezo-Aktuator erzeugt wird, sehr gut über das Injektorgehäuse abgeführt werden. Dies ist insbesondere bei Mehrfach-Einspritzungen während eines Ar— beitszyklusses eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ein gewichtiger Vorteil.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils ist der Spalt in dem axialen Bereich, in dem das thermische Ausgleichselement angeordnet ist, mit dem Füllmaterial ausgefüllt. In dem axialen Bereich, in dem der Stapel piezoelektrischer Elemente sich erstreckt, ist der Spalt frei ist von dem Füllmaterial. Auf diese Weise kann ein ausreichend guter thermischer Ausgleich zwischen dem Piezo-Aktuator und dem Injektorgehäuse gewährleistet werden und andererseits sichergestellt werden, dass die piezoelektrischen Elemente oder eine umgebende Schutzschicht, die beispielsweise Silikon ist, durch das Füllmaterial nicht beschädigt wird. Derartige Be- Schädigungen können beispielsweise durch chemisch aggressive Eigenschaften des Füllmaterials hervorgerufen sein.
Wenn jedoch aufgrund einer entsprechenden Schutzhülle, die die Schutzschicht oder die piezoelektrischen Elemente umgibt oder aufgrund einer guten chemischen Verträglichkeit des Füllmaterials keine Beschädigungen zu erwarten sind, kann jedoch auch das Füllmaterial den Spalt in dem Bereich zwischen den piezoelektrischen Elementen und der Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses ausfüllen. Gegebenenfalls kann dann auch nur der Bereich des Spaltes zwischen den piezoelektrischen Elementen und der Wandung der Ausnehmung des Injektorgehauses oder ein Teil davon mit dem Füllmaterial ausgefüllt sein.
Besonders vorteilhaft ist als Füllmaterial eine Wärmeleitpaste vorgesehen, die insbesondere Polymere umfasst, die mit feinen und verteilten gut wärmeleitenden Feststoffpartikeln versehen sind, die z.B. Metalle sein können.
Sehr vorteilhaft ist es auch, wenn das Füllmaterial ein Transformatoröl ist. Transformatoröl zeichnet sich aus durch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und sehr gute elektrische Isolationseigenscha ten .
Die Erfindung zeichnet sich ferner aus durch ein Verfahren zum Herstellen des Einspritzventils, bei dem ein Bereich des Spalts zwischen dem Aktuator und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses mit einem Füllmaterial ausgefüllt wird, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Unterdruck erzeugt und anschließend das Füllmaterial in den Spalt eingebracht. Durch den Unterdruck, insbesondere wenn der Unterdr ck nahezu Vakuum entspricht, kann sichergestellt werden, dass gegebenenfalls in dem Füllmaterial gebundene Gase, wie Luft beim Einfüllen ausdampfen und somit während des Betriebs des Einspritzventils und einer dabei gegebenenfalls erfolgenden stärkeren Erwärmung kein unerwünschter Überdruck in dem Spalt durch sich entsprechend ausdehnende Gasblasen entsteht .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist der Spalt von außerhalb des Injektorgehäuses über zwei Ausnehmungen zugänglich, wobei eine erste Ausnehmung geeignet ist zum Befüllen des Spalts mit dem Füllmaterial und eine zweite Ausnehmung geeignet ist zum Entlüften des Spalts während des Befüllens mit dem Füllmaterial. Das Füllmaterial wird durch eine erste Ausnehmung eingebracht. Anschließend werden die ersten und zweiten Ausnehmungen abgedichtet . Auf diese Weise kann ein gutes Befüllen des gewünschten Bereichs des Spaltes beim Herstellen des Einspritzventils einfach erfolgen und sichergestellt werden, dass sich keine Hohlräume bilden. Auf diese Weise kann ein sehr guter Wärmeübergang zwischen dem Piezo-Aktuator und dem Injektorgehäuse gewährleistet werden.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn in die ersten und zweiten Ausnehmungen zum Abdichten je ein topfförmiges Element eingebracht wird, in dem eine Kugel verstemmt wird. Dadurch kann einfach eine sehr gute Dichtwirkung gewährleistet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erste A sführungsform eines Einspritzventils und
Figur 2 eine zweite Ausführungsform des Einspritzventils.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein Einspritzventil (Figur 1) hat ein Injektorgehäuse 1, das eine Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aufweist. In die Ausnehmung 2 ist ein Piezo-Aktuator eingesetzt, der mit einem Übertrager 6 gekoppelt ist. Der Übertrager 6 ist in einem Le— ckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10, das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet, dass es abhängig von seiner Schaltstellung ein leckagefluid, das in dieser Ausführungsform bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit dem Piezo-Aktuator gekoppelt und wird von ihm angetrieben, das heißt die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators eingestellt.
Das Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet. Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen Düsenkörper 16. Die Ventilplatte 12, der Nadel— führungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden eine Düsenbaugruppe, die mittels einer Düsenspannmutter 18 an dem In— jektorgehäuse 1 befestigt ist.
Der Nadelführungskörper 14 hat eine Ausnehmung, die als Ausnehmung 22 des Düsenkörpers 16 in dem Düsenkörper 16 fortgesetzt ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet ist. Die Düsennadel 24 ist in den Nadelführungskörper 14 geführt. Eine Düsenfeder 26 spannt die Düsennadel 24 in eine Schließpositi- on vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse 28 unterbindet.
An dem axialen Ende der Düsennadel 24, das hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 hydraulisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Schließstellung, so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem Schließen des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit einem KraftStoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000 bar versorgt.
Über den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem Steuerraum 30 auf eine Stirnfläche der Düsennadel 24 ein Druck in Schließrichtung der Düsennadel 24 ausgeübt. Die Düsennadel 24 weist ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart beaufschlagt wird, dass eine öffnend wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt. In ihrer Offenstellung gibt die Düsennadel 24 den Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei. Ob die Düsennadel 24 sich in ihrer Offenstellung oder in ihrer Schließstellung befindet hängt davon ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird, größer oder kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den auf die Stirnfläche der Düsennadel 24 einwirkenden Druck hervorgerufen wird. Befindet sich das Schaltventil 10 in seiner Offenstellung, so strömt Fluid von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30, was schließlich zu einer Bewegung der Düsennadel in ihre Offenstellung führt. Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
Der Piezo-Aktuator umfasst einen Stapel 34 piezoelektrischer Elemente und ein Ausgleichselement 36, das bevorzugt als ein Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet ist. Der Stapel piezoelektrischer Elemente 34 und das Ausgleichselement 36 sind in eine Rohrfeder 40 eingebracht. Alternativ kann das Ausgleichselement 36 auch außerhalb der Rohrfeder 40 angeordnet sein. Die Rohrfeder 40 ist an ihrem einen axialen Ende mit einer ersten Kappe verschweißt, die gegebenenfalls als der Übertrager 6 ausgebildet sein kann. An ihrem anderen axialen Ende ist die Rohrfeder 40 mit einem Fixierelement 38 verschweißt. Die Rohrfeder 40 steht unter einer vorgegebenen Vorspannung und spannt so den Stapel der piezoelektrischen Elemente mit einer vorgebbaren Kraft vor. Das Fixierelement 38 ist bevorzugt mit dem Injektorgehäuse 1 form- und/oder kraftschlüssig verbunden, insbesondere ver— stemmt.
Zwischen der Oberfläche der Rohrfeder 40 und der Ausnehmung 2 des Injektorgehauses 1 befindet ' sich ein Spalt 41. Die Rohrfeder 40 kann unterschiedlich ausgebildet sein. So kann sie zum Beispiel im Bereich des thermischen Ausgleichselements 36 größere Ausnehmungen aufweisen.
Das thermische Ausgleichselement hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und eine axiale Länge, die so gewählt sind, dass bei einer gleichen Temperatur des thermischen Ausgleichselements 36 und des Injektorgehäuses 1 sich die axiale Ausdehnung des Piezo-Aktuators 4 bei Temperaturänderungen genauso verhält wie die axiale Ausdehnung des Injektorgehäuses .
Für ein gleichbleibendes Schaltverhalten des Piezo-Aktuators 4 muss somit zusätzlich gewährleistet sein, dass Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement 36 und dem Injektorgehäuse sehr gering sind. Zu diesem Zweck ist in einem axialen Bereich des Spalts 41 ein Füllmaterial 44 eingebracht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
Der axiale Bereich, in dem das Füllmaterial 44 in den Spalt eingebracht ist, ist beispielhaft in der Ausführungsform des Ξinspritzventils gemäß der Figur 1 der axiale Bereich, entlang dessen sich das Ausgleichselement 36 erstreckt. Auf diese Weise ist einfach sichergestellt, dass auch bei größeren Temperaturschwankungen des Injektorgehäuses 1 oder auch des Piezo-Aktuators keine wesentlichen Temperaturunterschiede zwischen dem Injektorgehäuse und dem Piezo-Aktuator auftreten und somit ein gleichbleibendes Schaltverhalten des Einspritzventils gewährleistet werden kann.
Bevorzugt ist der axiale Bereich, in den das Füllmaterial 44 in den Spalt 41 von dem Bereich des Spalts 41, der frei ist von dem Füllmaterial 44, durch einen O-Ring 46 oder ein gleichwertiges Isolierelement getrennt. Ein günstig verfügbarer o—Ring 56 kann hierzu eingesetzt werden, ohne dass er hohen Druckdifferenzen standhalten muss.
Bevorzugt ist das Füllmaterial 44 eine Wärmeleitpaste, die Polymere umfasst und bevorzugt einen hohen Anteil an feinsten Partikeln hat, die für eine gute Wärmeleitung sorgen. Die feinsten Partikel sind beispielsweise aus Silber, Aluminiumoxid, Zinkoxid oder dergleichen.
Beim Herstellen des Einspritzventils wird das Füllmaterial 44 durch eine erste Ausnehmung 48 in den Spalt 41 eingebracht, die in diesem Zustand das Einspritzventils von außerhalb des Injektorgehäuses 1 und der Düsenspann utter 18 frei zugänglich ist. Bevorzugt wird vor dem Einbringen des Füllmaterials 44 in den Spalt 41 in dem Spalt ein Unterdruck erzeugt, vorzugsweise nahezu ein Vakuum. Anschließend wird dann der Spalt in dem dafür vorgesehenen axialen Bereich mit dem Füllmaterial 44 befüllt. Durch das Befüllen im Unterdruck bzw. Vakuum kann einfach erreicht werden, dass der Anteil an Gasen in dem Füllmaterial 44 sehr gering ist. Grundsätzlich kann das Füllmaterial auch vor dem Befüllen entgast werden, um zu Erreichen, dass der Anteil an Gasen in dem Füllmaterial 44 sehr gering ist. Dann muss jedoch sichergestellt werden, dass beim Befüllen keine neuen Gasblasen eingebracht werden.
Ferner ist axial beabstandet zu der ersten Ausnehmung 48 eine zweite Ausnehmung 50 vorgesehen, die geeignet ist zum Entlüften des Spalts 41 während des Befüllens mit dem Füllmaterial 44. Dadurch kann während des BefüllVorgangs sichergestellt werden, dass der axiale Bereich des Spalts 41, der mit dem Füllmaterial 44 aufgefüllt werden soll, sicher auch ohne entstehende Hohlräume vollständig befüllt wird. Nach Abschluss des Befüllens mit dem Füllmaterial werden sowohl die erste Ausnehmung 48 als auch die zweite Ausnehmung 50 mit je einem Dichtelement 52, 54 dichtend verschlossen. Besonders geeignet hat sich dazu ein topfförmiges Element erwiesen, das mit sei- nem Topfboden hingewandt zu dem Spalt 41 in die Ausnehmung 48 oder 50 eingebracht wird und in dem anschließend eine Kugel verstemmt wird und somit eine dichtende, sogar hochdruckfeste Dichtung der jeweiligen Ausnehmung 48,50 zu dem Außenbereich des Einspritzventils gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Einspritzventils (Figur 2) ist im wesentlichen der gesamte Spalt entlang seiner gesamten axialen Erstreckung mit dem Füllmaterial 44 ausgefüllt. In diesem Fall ist dann auch ein sehr guter thermischer Ausgleich zwischen dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente und dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet. In diesem Fall sollten die ersten und zweiten Ausnehmungen 48,50 zu Befüllen bzw. Entlüften im Bereich der axialen Enden des Spaltes 41 ausgebildet sein.
Wenn auch der axiale Bereich des Spaltes 41 mit dem Füllmaterial 44 ausgefüllt ist, in dem sich der Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente befindet, so muss gewährleistet sein, dass die piezoelektrischen Elemente elektrisch von dem Injektorgehäuse 1 isoliert sind. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet sein, dass der Stapel 34 piezoelektrische Elemente mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht überzogen ist. In diesem Fall muss dann aber gewährleistet sein, dass das Füllmaterial keine derart chemisch aggressiven Eigenschaften hat, das die Schutzschicht beschädigt werden könnte. Alternativ kann dann auf die Schutzschicht, die regelmäßig aus Silikon besteht, auch mit einer weiteren Schutzhülle überzogen sein, die unempfindlich ist gegenüber entsprechend chemisch aggressiven Medien.
Besonders vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Füllmaterial ein Transformatoröl ist, das sich durch eine hohe Wärmeil leitfahigkeit auszeichnet und andererseits ein guter elektrischer Isolator ist. In diesem Fall kann dann gegebenenfalls auch auf die Schutzschicht des Stapels 34 der piezoelektrischen Elemente gänzlich verzichtet werden.
Selbstverständlich kann der axiale Bereich des Spalts 41, der mit dem Füllmaterial ausgefüllt ist, einen beliebigen Bereich des Spalts 41 überdecken. So ist es beispielsweise vorstellbar, dass das Füllmaterial 54 nur entlang eines Bruchteils der axialen Erstreckung des Ausgleichselements 36 in den Spalt 41 eingebracht ist. Ferner kann das Füllmaterial 44 auch aus einem anderen Material ausgebildet sein, das geeignet ist, in den Spalt 41 eingebracht zu werden und eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Vorteilhaft ist es, wenn das Füllmaterial 44 die erforderliche Elastizität aufweisen, um Längenausdehnungen des Piezo-Aktuators 4 auszugleichen.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzventil
- mit einem Injektorgehäuse (1) , das eine Ausnehmung (2) aufweist,
- mit einem Piezo-Aktuator (4) , der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichselement (36) umfasst,
- bei dem ein Bereich eines Spalts (41) zwischen dem Piezo- Aktuator (4) und einer Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) mit einem Füllmaterial (44) ausgefüllt ist, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
2. Einspritzventil nach Anspruch 1, bei dem der Spalt (41) in dem axialen Bereich, in dem das thermische Ausgleichselement (36) angeordnet ist, mit dem Füllmaterial (44) ausgefüllt ist und der Spalt (41) in dem axialen Bereich, in dem der Stapel (34) piezoelektrischer E- lemente sich erstreckt, frei ist von dem Füllmaterial.
3. Einspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Füllmaterial (44) eine Wärmeleitpaste ist.
4. Einspritzventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Füllmaterial ein Transformatoröl ist.
5. Verfahren zum Herstellen eines Einspritzventils
- mit einem Injektorgehäuse (1) , das eine Ausnehmung (2) aufweist,
- mit einem Piezo-Aktuator (4) , der in der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) angeordnet ist und der einen Stapel (34) piezoelektrischer Elemente und ein thermisches Ausgleichsele- ment (36) umfasst,
- bei dem ein Bereich eines Spalts (41) zwischen dem Piezo- Aktuator (4) und einer Wandung der Ausnehmung (2) des Injektorgehäuses (1) mit einem Füllmaterial (44) ausgefüllt wird, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem Spalt (41) ein Unterdruck erzeugt wird und anschließend das Füllmaterial (44) in den Spalt (41) eingebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Spalt (41) von außerhalb des Injektorgehäuses (1) über zwei Ausnehmungen zugänglich ist, wobei eine erste Ausnehmung (48) geeignet ist zum Befüllen des Spalts (41) mit dem Füllmaterial (44) und eine zweite Ausnehmung (50) geeignet ist zum Entlüften des Spalts (41) während des Befüllens mit dem Füllmaterial (44) und bei dem das Füllmaterial (44) durch die erste Ausnehmung (48) eingebracht wird und anschließend die ersten und zweiten Ausnehmungen (48, 50) abgedichtet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in die ersten und zweiten Ausnehmungen (48, 50) zum Abdichten je ein topfförmiges Element eingebracht wird, in dem eine Kugel verstemmt wird.
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