WO2012069235A1 - Piezoelektrisches aktormodul und brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Piezoelektrisches aktormodul und brennstoffeinspritzventil Download PDF

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WO2012069235A1
WO2012069235A1 PCT/EP2011/066663 EP2011066663W WO2012069235A1 WO 2012069235 A1 WO2012069235 A1 WO 2012069235A1 EP 2011066663 W EP2011066663 W EP 2011066663W WO 2012069235 A1 WO2012069235 A1 WO 2012069235A1
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WO
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actuator
metallic sleeve
piezoelectric actuator
potting compound
insulating layer
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PCT/EP2011/066663
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Rapp
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings
    • H10N30/883—Additional insulation means preventing electrical, physical or chemical damage, e.g. protective coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric actuator module and a fuel injection valve with a piezoelectric actuator module. Specifically, the invention relates to the field of
  • a piezoelectric actuator is known, which is for actuating a
  • the piezoelectric actuator has a multilayer structure of
  • a first outer electrode is attached as a conductive surface on each side surface contacted with the respective inner electrodes.
  • the second outer electrode is at least point-wise contacted with the first and also has stretchable areas in the region of the contact surface or contact points.
  • Enclosed frame of an actuator module to protect them from damage from contact with fuel. During operation, flashovers between adjacent electrode layers may occur. These are partly self-healing, so that the
  • Fuel injection valve which is located on the vehicle mass. Further flashovers can thus be prevented only by switching off all connected to the same control unit bank injection valves, so that a further journey is no longer possible, resulting in a lie down.
  • the piezoelectric actuator module with the features of claim 1 and the
  • Fuel injection valve according to the invention with the features of claim 10 have the advantage that the formation of Matterschlagspfaden between the actuator body and a surrounding the actuator body metallic sleeve is prevented.
  • a gap between the actuator body and the metallic sleeve is formed, which is partially filled with the potting compound and remains free in sections.
  • a VergussmassenLite the potting compound represent the separation between the potting compound and the remaining portion. Especially critical are flashovers in the actuator body, if these occur at the level of VergussmassenLites.
  • Vergussmassenober Assembly with resulting flashover particles can in this namely a conductive path between the affected by the rollover
  • the insulating layer is recessed at a connection point at which the connection of the metallic sleeve is designed with the actuator foot. Furthermore, the insulating layer is recessed in an advantageous manner at a further connection point, on which the connection of the metallic sleeve is designed with the actuator head.
  • the metallic sleeve is connected by at least one weld with the actuator base and that the metallic sleeve is connected by means of a metallic membrane with the actuator head, wherein the metallic sleeve is connected by a weld with the metallic membrane.
  • the electrically insulating insulating layer is formed by an insulating varnish or that the electrically insulating insulating layer is formed from a plastic or that the electrically insulating insulating layer as a rubbery
  • Insulation layer is formed.
  • an insulating varnish may be used, as it is also used for electrically insulating copper wires or the like.
  • the insulating layer may be formed of a plastic based on PVC.
  • the potting compound is designed as a heat-conducting potting compound.
  • the potting compound can then derive the heat from the actuator body to the metallic shell.
  • a reliable seal with respect to a surrounding fuel or the like is ensured by the metallic sleeve.
  • the heat can be dissipated from the metallic shell to the passing fuel. As a result, cooling of the actuator body is possible during operation.
  • a Vergussmassenacious is configured which limits the filled with the potting compound portion of the gap and adjacent to the remaining free portion of the gap, and that the inside of the metallic sleeve at least in the VergussmassenLites with the electrically insulating Insulation layer is provided.
  • the resulting particles may be specific to the Vergussmassenapt
  • the formation of a rollover bridge is critical, which is prevented by the electrically insulating insulation layer.
  • the inside of the metallic sleeve is covered with the insulating layer at least in a part of the free-lying portion of the intermediate space facing the actuator body.
  • an electrically insulating insulating layer is partially provided on an outer side of the metallic sleeve.
  • the two ends of the metallic sleeve may be covered, so that the electrically insulating insulating layer is recessed thereon.
  • the electrically insulating insulation layer on the inside and the electrically insulating insulation layer on the outside can then be formed for example by an immersion bath. This simplifies the production, whereby an additional protection on the outside is ensured without increasing the production cost.
  • Fig. 2 shows a metallic sleeve of the piezoelectric actuator shown in Fig. 1 in a schematic, axial sectional view corresponding to a second
  • FIG. 1 shows a fuel injection valve 1 with a piezoelectric actuator module 2 in a partial, schematic sectional view corresponding to a first
  • the fuel injection valve 1 can in particular for
  • Fuel injection systems of air-compressing, self-igniting internal combustion engines are used.
  • the fuel injection valve 1 is particularly suitable for a
  • the piezoelectric actuator module 2 is particularly suitable for such fuel injectors 1.
  • the fuel injection valve 1 has a nozzle needle 3, which is arranged in a nozzle body 4.
  • a fuel chamber 5 is formed within the nozzle body 4, in which there is in operation under high pressure fuel.
  • Nozzle body 4 is also a valve seat surface 6 configured with a
  • Valve-closing body 7 of the nozzle needle 3 acts together to form a sealing seat.
  • at least one nozzle bore 4 configured in the nozzle bore 8 is sealed when the sealing seat is closed relative to the fuel chamber 5.
  • the piezoelectric actuator module 2 of the fuel injection valve 1 serves to actuate the nozzle needle 3, as illustrated by the double arrow 9. In this way, a lifting of the valve closing body 7 is achieved by the valve seat surface 6, so that the sealing seat is opened and fuel from the fuel chamber 5 reaches the nozzle bore 8.
  • the piezoelectric actuator module 2 has an actuator body 15 with a plurality of ceramic layers 16 and a plurality of electrode layers 17 arranged between the ceramic layers 16.
  • the ceramic layer 16 and the electrode layer 17 are marked to simplify the illustration.
  • external electrodes 18, 19 are attached to the actuator body 15.
  • the electrode layers 17 serve as internal electrodes, which are alternately contacted with the external electrodes 18, 19.
  • the actuator body 15 is arranged between an actuator base 20 and an actuator head 21.
  • the actuator base 20 and the actuator head 21 at opposite end faces 22, 23 of the actuator body 15 are added.
  • the actuator base 20 is in this case arranged stationary and, for example, on a housing or the like
  • Fuel injector 1 supported.
  • the outer electrodes 18, 19 are connected to electrical lines 24, 25, which are guided by the actuator base 20. Via the electrical lines 24, 25, the actuator body 15 can be charged and discharged. As a result, according to the piezoelectric effect, an elongation and shortening of
  • the piezoelectric actuator module 2 also has a metallic sleeve 30.
  • the metallic sleeve 30 is connected to the actuator base 20 via a circumferential weld 31.
  • the metallic sleeve 30 is connected by a circumferential weld 32 with a metallic membrane 33.
  • the metallic membrane 33 is also connected to the actuator head 21 via a peripheral weld 34.
  • the metallic membrane 33 is configured bent, wherein over the membrane 33, a stroke compensation is ensured. As a result, a stroke of the actuator head 21 is made possible.
  • the metallic sleeve 30 can, for example, provide protection against ambient media, in particular a diesel fuel. This prevents that the actuator body 15 is damaged mechanically or chemically.
  • a gap 35 between the actuator body 15 and an inner side 36 of the metallic sleeve 30 is partially filled with a potting compound 37.
  • the potting compound 37 is in this case arranged in a section 38 of the intermediate space 35, while a portion 39 of the intermediate space 35 remains free.
  • the potting compound 37 is configured as a heat-conducting potting compound 37, so that the heat from the actuator body 15 to the metallic sleeve 30 and from there to the
  • the potting compound 37 is in this case designed to be elastic in order to allow a stroke of the actuator body 15.
  • the remaining free portion 39 is chosen sufficiently large to allow thermal expansion of the potting compound 37 and thereby to ensure a limited increase in pressure of the air or other gas in the remaining portion 39 in a permissible pressure range.
  • Dividing surface to the air in the remaining portion 39 forms. At least in the region of Vergussmassenaciouss 40 is on the inside 36 an electrically insulating
  • Insulation layer 41 is provided.
  • the insulation layer 41 is preferably applied directly to the inside 36 of the metallic sleeve 30.
  • the insulating layer 41 may be formed of an insulating varnish, a plastic, a rubber-like insulating coating 41 or the like. As a result, the insulation layer 41 is provided at least in a transition region 40 'from the section 38 of the intermediate space 35 to the section 39 of the intermediate space 35.
  • the actuator ceramic that is to say the ceramic layers 16, can be formed from lead zirconate titanate.
  • the electrode layers 17 may be formed on the basis of silver and palladium. During operation, an undesired flashover may occur between the electrode layers 17 and possibly also between an electrode layer 17 and one of the outer electrodes 18, 19. This results in particles that can escape, especially in the remaining portion 39 in the air-filled portion 39 of the intermediate space 35. These particles can be found on the
  • Knock down casting compound 40 In the course of operation, this would allow a rollover on the metallic sleeve 30. But this is by the
  • Insulation layer 41 which is applied to the inner side 36 of the metallic shell 30 prevents. Thus, the formation of a conductive path between the actuator body 15 and the metallic shell 30 can be suppressed.
  • the inner side 36 of the metallic shell 30 is hereby provided with the insulating layer 41 at the level of the casting mass mirror 40. In the production, at least the region of the connection point 46, on which the weld 31 is provided, and the region of the connection point 47, on which the weld 32 is provided, are recessed, that is not with one
  • Insulation layer 41 provided.
  • the inner side 36 of the metallic sleeve 30 is covered with the insulating layer 41 at least in a part 42, which faces the actuator body 15, of the free-lying section 39 of the intermediate space 35.
  • the region of the part 43 collecting particles have a relatively large distance from the electrode layers 17 of the actuator body 15, so that a rollover to the metallic sleeve 30 is not significantly favored by this.
  • Fig. 2 shows the metallic sleeve 30 of the piezoelectric shown in Fig. 1
  • Actuator module 2 in a schematic, axial sectional view according to a second embodiment.
  • the hollow cylindrical, thin metallic sleeve 30 with the exception of its ends 44, 45 is coated almost over the entire inner side 36 with the insulating layer 41.
  • the ends 44, 45 can be covered during manufacture.
  • connection points 46, 47 to which the metallic sleeve 30 is connected on the one hand to the actuator base 20 and on the other hand to the actuator head 21.
  • the connection can also be effected indirectly, as shown in FIG. 1 on the basis of the metallic membrane 33
  • Insulating layer 41 can be coated, for example, with the insulating varnish, which is also used to insulate an outer side of the actuator body 15.
  • Fig. 3 shows the metallic sleeve 30 shown in Fig. 2 in a schematic, axial sectional view according to a third embodiment of the invention.
  • the inner side 36 with the exception of the ends 44, 45 with the
  • Insulation layer 41 provided.
  • an outer side 36 'of the metallic sleeve 30 is provided with an electrically insulating insulating layer 41'.
  • the ends 44, 45 of the metallic sleeve 30 are covered. Then, the metallic sleeve 30 by means of a dip with the
  • Insulating layers 41, 41 ' are provided.
  • the insulating layer 41 on the inner side 36 of the metallic sleeve 30 is far enough away from the actuator body 15, so that it is not affected when a rollover occurs. Thus, a local Injury of the insulation layer 41 avoided. Therefore, an intact insulation layer 41 is ensured over the life of the piezoelectric actuator module 2, so that d isolation between the actuator body 15 and the metallic sleeve 30 is ensured.

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Ein piezoelektrisches Aktormodul (2), das insbesondere für Brennstoffeinspritzventile von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dient, umfasst einen Aktorkörper (15) mit einer Vielzahl von keramischen Schichten (16) und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (16) angeordneten Elektrodenschichten (17), einen Aktorfuß (20) und einen Aktorkopf (21). Dabei ist der Aktorkörper (15) zwischen dem Aktorfuß (20) und dem Aktorkopf (21) angeordnet. Ferner ist eine metallische Hülse (30) einerseits mit dem Aktorfuß (20) und andererseits mit dem Aktorkopf (21) verbunden. Ferner ist ein Zwischenraum (35) zwischen dem Aktorkörper (15) und der metallischen Hülse (30) abschnittsweise mit einer Vergussmasse (37) gefüllt. Außerdem bleibt der Zwischenraum (35) abschnittsweise frei. An einer Innenseite (36) der metallischen Hülse (30) ist in einem Übergangsbereich von dem mit der Vergussmasse (37) gefüllten Abschnitt (38) des Zwischenraums (35) zu dem frei bleibenden Abschnitt (39) des Zwischenraums (35) eine elektrisch isolierende Isolationsschicht (41) vorhanden. Außerdem ist ein Brennstoffeinspritzventil (1) mit solch einem piezoelektrischen Aktormodul (2) angegeben. Durch die elektrisch isolierende Isolationsschicht (41) werden Überschläge von dem Aktorkörper (15) auf die metallische Hülse (30) verhindert. Solche Überschläge können beispielsweise entstehen, wenn durch Überschläge zwischen den Elektrodenschichten (17) des Aktorkörpers (15) Partikel entstehen, die die Vergussmassenoberfläche kontaminieren und einen leitfähigen Pfad zwischen den vom Überschlag betroffenen Elektrodenschichten und der metallischen Hülse (30) bilden.

Description

Beschreibung Titel
Piezoelektrisches Aktormodul und Brennstoffeinspritzventil Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Aktormodul und ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktormodul. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der
Brennstoffeinspritzventile von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, wobei das Brennstoffeinspritzventil ein piezoelektrisches Aktormodul als
Betätigungselement aufweist.
Aus der DE 199 28 189 A1 ist ein Piezoaktor bekannt, der zur Betätigung eines
mechanischen Bauteils dient. Der Piezoaktor weist einen Mehrschichtaufbau von
Piezolagen und dazwischen angeordnete Innenelektroden auf. Eine erste Außenelektrode ist als eine leitende Fläche auf jeweils einer Seitenfläche angebracht, die mit den jeweiligen Innenelektroden kontaktiert ist. Eine elektrische Kontaktierung zur Zuführung der elektrischen Spannung erfolgt über Anschlüsse an eine zweite netz- oder gewebeartige Außenelektrode, die auf der ersten angeordnet ist. Die zweite Außenelektrode ist zumindest punktweise mit der ersten kontaktiert und weist ebenfalls im Bereich der Kontaktfläche oder Kontaktpunkte dehnbare Bereiche auf.
Für den Einsatz eines Piezoaktors in Einspritzventilen ist es denkbar, dass diese im
Rahmen eines Aktormoduls gekapselt sind, um sie vor Schädigung durch den Kontakt mit Brennstoff zu schützen. Im Betrieb kann es zu Überschlägen zwischen benachbarten Elektrodenschichten kommen. Diese sind zum Teil selbstheilend, so dass die
Isolationsfestigkeit an der betroffenen Stelle nach dem Überschlag wieder gegeben ist. Teilweise ist aber die Isolationsfähigkeit an dieser Stelle dauerhaft beeinträchtigt, was zum Ausfall eines solchen Aktors führen kann. Über ein geeignet ausgestaltetes Steuergerät kann ein solcher Ausfall aber diagnostiziert werden und durch Abschalten des betroffenen Einspritzventils können weitere Überschläge vermieden werden. Eine Weiterfahrt mit den restlichen Einspritzventilen ist hierbei gegebenenfalls möglich, so dass ein Liegenbleiben vermieden ist. Bei einem Einspritzventil für Brennkraftmaschinen können sich Überschläge auch dahingehend auswirken, dass durch verdampfte Metallpartikel, Schmutz und dergleichen eine Brücke zu einer metallischen Hülse des Piezoaktors gebildet ist. Hierdurch entsteht ein leitfähiger Pfad einerseits zu den Innenelektroden und somit einer Steuerleitung und andererseits zu der metallischen Hülse und somit einem Gehäuse des
Brennstoffeinspritzventils, das auf der Fahrzeugmasse liegt. Weitere Überschläge können somit nur durch Abschalten sämtlicher an der gleichen Steuergerätebank angeschlossener Einspritzventile verhindert werden, so dass eine Weiterfahrt nicht mehr möglich ist, was zu einem Liegenbleiben führt.
Offenbarung der Erfindung
Das piezoelektrische Aktormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit dem Merkmalen des Anspruchs 10 haben den Vorteil, dass die Ausbildung von Überschlagspfaden zwischen dem Aktorkörper und einer den Aktorkörper umgebenden metallischen Hülse verhindert ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktormoduls und des im Anspruch 10 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Bei dem piezoelektrischen Aktormodul ist ein Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und der metallischen Hülse ausgebildet, der abschnittsweise mit der Vergussmasse gefüllt ist und abschnittsweise frei bleibt. Hierbei kann zwischen der Vergussmasse und dem frei bleibenden Abschnitt ein Vergussmassenspiegel der Vergussmasse die Trennung darstellen. Besonders kritisch sind Überschläge im Aktorkörper, wenn sich diese auf Höhe des Vergussmassenspiegels ereignen. Durch eine Kontamination der
Vergussmassenoberfläche mit beim Überschlag entstehenden Partikeln kann sich in diesem nämlich ein leitfähiger Pfad zwischen den vom Überschlag betroffenen
Aktorelektroden und der mit der Fahrzeugmasse verbundenen metallischen Hülse des Aktormoduls ausbilden. Im Unterschied zu einem Fall, in dem eine Isolationsfestigkeit zwischen benachbarten Elektrodenschichten beeinträchtigt ist, ist dann sogar die
Isolationsfestigkeit zwischen dem Aktorkörper und der metallischen Hülse und somit einem Gehäuse des Brennstoffeinspritzventils oder dergleichen beeinträchtigt. In einem solchen Fall kann weiteren Überschlägen nur durch Abschalten sämtlicher Einspritzventile, die an derselben Steuergerätebank angeschlossen sind, vorgebeugt werden. Im Fall eines Kraftfahrzeugs oder eines Nutzkraftwagens ist dann eine Weiterfahrt nicht mehr möglich und es kommt zu einem Liebenbleiben des Fahrzeugs. Durch die elektrisch isolierende Isolationsschicht wird allerdings die Ausbildung eines Überschlagspfads zwischen dem Aktor und der metallischen Hülse zumindest in dem kritischen Bereich unterbunden.
Dadurch können Liegenbleiber oder dergleichen auf Grund von Aktorausfällen vermieden werden.
In vorteilhafter Weise ist die Isolationsschicht an einer Verbindungsstelle ausgespart, an der die Verbindung der metallischen Hülse mit dem Aktorfuß ausgestaltet ist. Ferner ist die Isolationsschicht in vorteilhafter Weise an einer weiteren Verbindungsstelle ausgespart, an der die Verbindung der metallischen Hülse mit dem Aktorkopf ausgestaltet ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die metallische Hülse durch zumindest eine Schweißnaht mit dem Aktorfuß verbunden ist und dass die metallische Hülse mittels einer metallischen Membran mit dem Aktorkopf verbunden ist, wobei die metallische Hülse durch eine Schweißnaht mit der metallischen Membran verbunden ist. Durch Aussparen der Isolationsschicht im Bereich der Verbindungsstellen können die Schweißnähte in vorteilhafter Weise ausgestaltet werden. Beispielsweise kann beim Aufbringen der Isolationsschicht während der
Herstellung eine Abdeckung der metallischen Hülse an den Verbindungsstellen vorgesehen sein, um die Verbindungsstellen auszusparen. Vorteilhaft ist es, dass die elektrisch isolierende Isolationsschicht durch einen Isolationslack gebildet ist oder dass die elektrisch isolierende Isolationsschicht aus einem Kunststoff gebildet ist oder dass die elektrisch isolierende Isolationsschicht als gummiartige
Isolationsschicht ausgebildet ist. Beispielsweise kann ein Isolationslack zum Einsatz kommen, wie er auch zum elektrischen Isolieren von Kupferdrähten oder dergleichen verwendet wird. Ferner kann die Isolationsschicht aus einem Kunststoff auf der Basis von PVC gebildet sein.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Vergussmasse als wärmeleitende Vergussmasse ausgebildet ist. Die Vergussmasse kann die Wärme dann von dem Aktorkörper auf die metallische Hülse ableiten. Hierbei ist durch die metallische Hülse eine zuverlässige Abdichtung in Bezug auf einen umgebenden Brennstoff oder dergleichen gewährleistet. Beispielsweise kann die Wärme von der metallischen Hülse auf den vorbei fließenden Brennstoff abgeführt werden. Hierdurch ist im Betrieb eine Kühlung des Aktorkörpers möglich.
Beim Füllen des Zwischenraums mit der wärmeleitenden Vergussmasse muss ein gewisser Abschnitt frei bleiben, da im Betrieb eine Wärmeausdehnung kompensiert werden muss. Hierbei ist in vorteilhafter Weise in dem frei bleibenden Abschnitt des Zwischenraums Luft und/oder ein anderes Gas vorgesehen. Der frei bleibende Abschnitt muss hierbei eine gewisse Größe aufweisen, um beim Auftreten einer Wärmeausdehnung, insbesondere einer Ausdehnung der Vergussmasse, einen zu hohen Druckanstieg der Luft und/oder des anderen Gases im frei bleibenden Abschnitt zu verhindern.
Vorteilhaft ist es, dass an der Vergussmasse ein Vergussmassenspiegel ausgestaltet ist, der den mit der Vergussmasse gefüllten Abschnitt des Zwischenraums begrenzt und an den der frei bleibende Abschnitt des Zwischenraums angrenzt, und dass die Innenseite der metallischen Hülse zumindest im Bereich des Vergussmassenspiegels mit der elektrisch isolierenden Isolationsschicht versehen ist. Beim Auftreten eines elektrischen Überschlags können sich die entstehenden Partikel speziell an dem Vergussmassenspiegel
niederschlagen. Deshalb ist gerade an diesem Ort die Ausbildung einer Überschlagsbrücke kritisch, was durch die elektrisch isolierende Isolationsschicht verhindert wird. Vorteilhaft ist es auch, dass die Innenseite der metallischen Hülse zumindest in einem dem Aktorkörper zugewandten Teil des frei bleibenden Abschnitts des Zwischenraums mit der Isolationsschicht bedeckt ist. Bei einer möglichen Ansammlung von Partikeln im frei bleibenden Abschnitt des Zwischenraums, die sich auf dem Aktorkörper oder im Bereich der Innenseite der metallischen Hülse niederschlagen, wird somit die Ausbildung eines elektrisch leitenden Pfades verhindert. Speziell können sich die Partikel nur auf der
Isolationsschicht an der Innenseite der metallischen Hülse niederschlagen, so dass eine elektrisch leitende Verbindung mit der metallischen Hülse verhindert ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass an einer Außenseite der metallischen Hülse teilweise eine elektrisch isolierende Isolationsschicht vorgesehen ist. Hierbei können beispielsweise die beiden Enden der metallischen Hülse abgedeckt sein, so dass an diesen die elektrisch isolierende Isolationsschicht ausgespart ist. Die elektrisch isolierende Isolationsschicht an der Innenseite und die elektrisch isolierende Isolationsschicht an der Außenseite können dann beispielsweise durch ein Tauchbad ausgebildet werden. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung, wobei ohne Vergrößerung des Herstellungsaufwand ein zusätzlicher Schutz an der Außenseite gewährleistet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktormodul in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 eine metallische Hülse des in Fig. 1 dargestellten piezoelektrischen Aktors in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte metallische Hülse entsprechend einem dritten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen Aktormodul 2 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten
Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere für
Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Hierbei eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 besonders für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert und zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das piezoelektrische Aktormodul 2 eignet sich besonders für solche Brennstoffeinspritzventile 1. Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und das erfindungsgemäße piezoelektrische Aktormodul 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle. Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist eine Düsennadel 3 auf, die in einem Düsenkörper 4 angeordnet ist. Hierbei ist innerhalb des Düsenkörpers 4 ein Brennstoffraum 5 gebildet, in dem sich im Betrieb unter hohem Druck stehender Brennstoff befindet. An dem
Düsenkörper 4 ist außerdem eine Ventilsitzfläche 6 ausgestaltet, die mit einem
Ventilschließkörper 7 der Düsennadel 3 zu einem Dichtsitz zusammen wirkt. Hierdurch wird zumindest eine in dem Düsenkörper 4 ausgestaltete Düsenbohrung 8 bei geschlossenem Dichtsitz gegenüber dem Brennstoff räum 5 abgedichtet.
Das piezoelektrische Aktormodul 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 dient zum Betätigen der Düsennadel 3, wie es durch den Doppelpfeil 9 veranschaulicht ist. Hierdurch wird ein Abheben des Ventilschließkörpers 7 von der Ventilsitzfläche 6 erzielt, so dass der Dichtsitz geöffnet wird und Brennstoff aus dem Brennstoffraum 5 zur Düsenbohrung 8 gelangt.
Dadurch kann Brennstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Das piezoelektrische Aktormodul 2 weist einen Aktorkörper 15 mit einer Vielzahl von keramischen Schichten 16 und einer Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 16 angeordneten Elektrodenschichten 17 auf. Hierbei sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die keramische Schicht 16 und die Elektrodenschicht 17 gekennzeichnet. Ferner sind an den Aktorkörper 15 Außenelektroden 18, 19 angebracht. Die Elektrodenschichten 17 dienen als Innenelektroden, die abwechselnd mit den Außenelektroden 18, 19 kontaktiert sind.
Der Aktorkörper 15 ist zwischen einem Aktorfuß 20 und einem Aktorkopf 21 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind der Aktorfuß 20 und der Aktorkopf 21 an voneinander abgewandte Stirnseiten 22, 23 des Aktorkörpers 15 angefügt. Der Aktorfuß 20 ist hierbei ortsfest angeordnet und beispielsweise an einem Gehäuse oder dergleichen des
Brennstoffeinspritzventils 1 abgestützt. Die Außenelektroden 18, 19 sind mit elektrischen Leitungen 24, 25 verbunden, die durch den Aktorfuß 20 geführt sind. Über die elektrischen Leitungen 24, 25 kann der Aktorkörper 15 geladen und entladen werden. Hierdurch ist entsprechend dem piezoelektrischen Effekt eine Dehnung und Verkürzung des
Aktorkörpers 15 entlang seiner Achse 26 möglich. Dies führt zu einer Betätigung des Aktorkopfes 21 , der sich entsprechend dem Hub des Aktorkörpers 15 relativ zu dem Aktorfuß 20 bewegt.
Das piezoelektrische Aktormodul 2 weist außerdem eine metallische Hülse 30 auf. Die metallische Hülse 30 ist über eine umlaufende Schweißnaht 31 mit dem Aktorfuß 20 verbunden. Außerdem ist die metallische Hülse 30 durch eine umlaufende Schweißnaht 32 mit einer metallischen Membran 33 verbunden. Die metallische Membran 33 ist außerdem über eine umlaufende Schweißnaht 34 mit dem Aktorkopf 21 verbunden. Die metallische Membran 33 ist gebogen ausgestaltet, wobei über die Membran 33 ein Hubausgleich gewährleistet ist. Hierdurch ist ein Hub des Aktorkopfes 21 ermöglicht.
Die metallische Hülse 30 kann je nach Anwendungsfall beispielsweise einen Schutz gegenüber Umgebungsmedien, insbesondere einem Dieselbrennstoff, bilden. Hierdurch wird verhindert, dass der Aktorkörper 15 mechanisch oder chemisch beschädigt wird. Um die im Betrieb aufgrund der häufigen Betätigung entstehende Wärme von dem Aktorkörper 15 an die Umgebung abzuleiten, ist ein Zwischenraum 35 zwischen dem Aktorkörper 15 und einer Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 abschnittsweise mit einer Vergussmasse 37 gefüllt. Die Vergussmasse 37 ist hierbei in einem Abschnitt 38 des Zwischenraums 35 angeordnet, während ein Abschnitt 39 des Zwischenraums 35 frei bleibt. Die Vergussmasse 37 ist als wärmeleitende Vergussmasse 37 ausgestaltet, so dass die Wärme von dem Aktorkörper 15 an die metallische Hülse 30 und von dieser an die
Umgebung weitergeleitet wird. Die Vergussmasse 37 ist hierbei elastisch ausgestaltet, um einen Hub des Aktorkörpers 15 zu ermöglichen. Außerdem ist der frei bleibende Abschnitt 39 ausreichend groß gewählt, um eine Wärmeausdehnung der Vergussmasse 37 zu ermöglichen und um hierbei einen begrenzten Druckanstieg der Luft oder eines anderen Gases im frei bleibenden Abschnitt 39 in einem zulässigen Druckbereich zu gewährleisten.
An der Vergussmasse 37 ist ein Vergussmassenspiegel 40 ausgestaltet, der die
Trennfläche zu der Luft im frei bleibenden Abschnitt 39 bildet. Zumindest im Bereich des Vergussmassenspiegels 40 ist an der Innenseite 36 eine elektrisch isolierende
Isolationsschicht 41 vorgesehen. Die Isolationsschicht 41 ist hierbei vorzugsweise direkt auf die Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 aufgebracht. Die Isolationsschicht 41 kann aus einem Isolationslack, aus einem Kunststoff, als gummiartige Isolationsbeschichtung 41 oder dergleichen ausgebildet sein. Dadurch ist zumindest in einem Übergangsbereich 40' von dem Abschnitt 38 des Zwischenraums 35 zu dem Abschnitt 39 des Zwischenraums 35 die Isolationsschicht 41 vorgesehen.
Die Aktorkeramik, das heißt die keramischen Schichten 16, können aus Bleizirkonattitanat gebildet sein. Die Elektrodenschichten 17 können auf der Basis von Silber und Palladium ausgebildet sein. Im Betrieb kann es zu einem ungewollten Überschlag zwischen den Elektrodenschichten 17 und gegebenenfalls auch zwischen einer Elektrodenschicht 17 und einer der Außenelektroden 18, 19 kommen. Hierdurch entstehen Partikel, die besonders im frei bleibenden Abschnitt 39 in den mit Luft gefüllten Abschnitt 39 des Zwischenraums 35 entweichen können. Diese Partikel können sich unter anderem auf den
Vergussmassenspiegel 40 niederschlagen. Im Laufe des Betriebs würde hierdurch ein Überschlag auch auf die metallische Hülse 30 ermöglicht. Dies wird aber durch die
Isolationsschicht 41 , die auf die Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 aufgebracht ist, verhindert. Somit kann die Ausbildung eines leitenden Pfads zwischen dem Aktorkörper 15 und der metallischen Hülse 30 unterbunden werden. Die Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 ist hierbei auf der Höhe des Vergussmassenspiegels 40 mit der Isolationsschicht 41 versehen. Bei der Herstellung werden zumindest der Bereich der Verbindungsstelle 46, an der die Schweißnaht 31 vorgesehen ist, und der Bereich der Verbindungsstelle 47, an der die Schweißnaht 32 vorgesehen ist, ausgespart, das heißt nicht mit einer
Isolationsschicht 41 versehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 zumindest in einem dem Aktorkörper 15 zugewandten Teil 42 des frei bleibenden Abschnitts 39 des Zwischenraums 35 mit der Isolationsschicht 41 bedeckt. Ein Teil 43 des frei bleibenden Abschnitts 39 des Zwischenraums 35, der an die metallische Membran 33 angrenzt und zwischen dem Aktorkopf 21 und der Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 vorgesehen ist, bildet zusammen mit dem Teil 42 den frei bleibenden Abschnitt 39. Im Bereich des Teils 43 sich sammelnde Partikel haben einen relativ großen Abstand zu den Elektrodenschichten 17 des Aktorkörpers 15, so dass durch diese ein Überschlag auf die metallische Hülse 30 nicht wesentlich begünstigt wird.
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte metallische Hülse 30 des piezoelektrischen
Aktormoduls 2 in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist die hohlzylinderförmige, dünne metallische Hülse 30 mit Ausnahme ihrer Enden 44, 45 fast über die gesamte Innenseite 36 mit der Isolationsschicht 41 beschichtet. Die Enden 44, 45 können hierbei während der Herstellung abgedeckt werden. An den Enden 44, 45 verbleiben somit Verbindungsstellen 46, 47, an denen die metallische Hülse 30 einerseits mit dem Aktorfuß 20 und anderseits mit dem Aktorkopf 21 verbindbar ist. Die Verbindung kann hierbei auch mittelbar erfolgen, wie es in der Fig. 1 anhand der metallischen Membran 33
veranschaulicht ist. Speziell bleiben somit die Bereiche 44, 45, das heißt in diesem
Ausführungsbeispiel die Enden 44, 45, frei, in denen umlaufende Schweißnähte 31 , 32 oder dergleichen zur Verbindung der metallischen Hülse 30 angebracht werden. Die
Isolationsschicht 41 kann beispielsweise mit dem Isolationslack beschichtet werden, der auch zur Isolation einer Außenseite des Aktorkörpers 15 zum Einsatz kommt.
Fig. 3 zeigt die in Fig. 2 dargestellte metallische Hülse 30 in einer schematischen, axialen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist wie bei dem anhand der Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel die Innenseite 36 mit Ausnahme der Enden 44, 45 mit der
Isolationsschicht 41 versehen. Außerdem ist auch eine Außenseite 36' der metallischen Hülse 30 mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht 41 ' versehen. Bei der
Herstellung können beispielsweise die Enden 44, 45 der metallischen Hülse 30 abgedeckt werden. Dann kann die metallische Hülse 30 mittels eines Tauchbads mit den
Isolationsschichten 41 , 41 ' versehen werden. Somit kann auf einfache Weise in einem
Herstellungsschritt eine Ausgestaltung der Isolationsschichten 41 , 41 ' durchgeführt werden. An den Enden 44, 45 sind die Isolationsschichten 41 , 41 ' dann sowohl innen als auch außen ausgespart, so dass die umlaufenden Schweißnähte 31 , 32 oder dergleichen in einfacher Weise ausgebildet werden können.
Auf Grund des Zwischenraums 35 ist die Isolationsschicht 41 auf der Innenseite 36 der metallischen Hülse 30 weit genug von dem Aktorkörper 15 entfernt, so dass diese beim Auftreten eines Überschlags nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Somit wird eine örtliche Verletzung der Isolationsschicht 41 vermieden. Daher ist über die Lebensdauer des piezoelektrischen Aktormoduls 2 eine intakte Isolationsschicht 41 gewährleistet, so dass d Isolationsfähigkeit zwischen dem Aktorkörper 15 und der metallischen Hülse 30 gewährleistet ist.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Piezoelektrisches Aktormodul (2), insbesondere für Brennstoffeinspritzventile von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen, mit einem Aktorkörper (15), der eine Vielzahl von keramischen Schichten (16) und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (16) angeordneten Elektrodenschichten (17) aufweist, einem Aktorfuß (20), einem Aktorkopf (21 ) und einer metallischen Hülse (30), wobei der
Aktorkörper (15) zwischen dem Aktorfuß (20) und dem Aktorkopf (21 ) angeordnet ist, wobei die metallische Hülse (30) einerseits zumindest mittelbar mit dem Aktorfuß (20) und andererseits zumindest mittelbar mit dem Aktorkopf (21 ) verbunden ist, wobei ein
Zwischenraum (35) zwischen dem Aktorkörper (15) und der metallischen Hülse (30) abschnittsweise mit einer Vergussmasse (37) gefüllt ist und abschnittsweise frei bleibt und wobei zumindest an einer Innenseite (36) der metallischen Hülse (30) zumindest in einem Übergangsbereich von dem mit der Vergussmasse (37) gefüllten Abschnitt (38) des Zwischenraums (35) zu dem frei bleibenden Abschnitt (39) des Zwischenraums (35) zumindest eine elektrisch isolierende Isolationsschicht (41 ) vorgesehen ist.
2. Piezoelektrisches Aktormodul nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Isolationsschicht (41 ) zumindest an einer Verbindungsstelle (46), an der die Verbindung der metallischen Hülse (30) mit dem Aktorfuß (20) ausgestaltet ist, ausgespart ist und dass die Isolationsschicht (41 ) zumindest an einer Verbindungsstelle (47), an der die Verbindung der metallischen Hülse (30) mit dem Aktorkopf (21 ) ausgestaltet ist, ausgespart ist.
3. Piezoelektrisches Aktormodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die metallische Hülse (30) durch zumindest eine Schweißnaht (31 ) mit dem Aktorfuß (20) verbunden ist und/oder dass die metallische Hülse (30) mittels einer metallischen Membran (33) mit dem Aktorkopf (21 ) verbunden ist und dass die metallische Hülse (30) durch zumindest eine Schweißnaht (32) mit der metallischen Membran (33) verbunden ist.
4. Piezoelektrisches Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektnsch isolierende Isolationsschicht (41 ) durch einen Isolationslack gebildet ist oder dass die elektrisch isolierende Isolationsschicht (41 ) aus einem Kunststoff gebildet ist oder dass die elektrisch isolierende Isolationsschicht (41 ) als gummiartige
Isolationsbeschichtung ausgebildet ist.
5. Piezoelektrisches Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vergussmasse (37) als wärmeleitende Vergussmasse (37) ausgebildet ist.
6. Piezoelektrisches Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem frei bleibenden Abschnitt (39) des Zwischenraums (35) Luft und/oder zumindest ein Gas vorgesehen ist.
7. Piezoelektrisches Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass an der Vergussmasse (37) ein Vergussmassenspiegel (40) ausgestaltet ist, der den mit der Vergussmasse (37) gefüllten Abschnitt (38) des Zwischenraums (35) begrenzt und an den der frei bleibende Abschnitt (39) des Zwischenraums (35) angrenzt, und dass die Innenseite (36) der metallischen Hülse (30) zumindest im Bereich des
Vergussmassenspiegels (40) mit der elektrisch isolierenden Isolationsschicht (41 ) versehen ist.
8. Piezoelektrisches Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Innenseite (36) der metallischen Hülse (30) zumindest in einem dem Aktorkörper (15) zugeordneten Teil (42) des frei bleibenden Abschnitts (39) des Zwischenraums (35) mit der Isolationsschicht (41 ) bedeckt ist.
9. Piezoelektrisches Aktormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass an einer Außenseite (36') der metallischen Hülse (30) teilweise eine elektrisch isolierende Isolationsschicht (41 ') vorgesehen ist.
10. Brennstoffeinspritzventil (1 ), insbesondere Injektor für luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen Aktormodul (2) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9.
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