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Die
Erfindung betrifft eine Piezoaktuatorvorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzventil
eines Verbrennungsmotors.
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Eine
solche Piezoaktuatorvorrichtung ist beispielsweise in der
DE 102 51 225 A1 offenbart.
Diese Piezoaktuatorvorrichtung weist ein Gehäuse, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten
Piezoaktuator mit Anschlussstiften, eine mit Öffnungen zum Durchtritt der
Anschlussstifte versehene und auf dem Gehäuse aufgesetzte Kopfplatte
und eine an der Kopfplatte aufgesetzte Kontaktbaugruppe für eine elektrische
Verbindung der Anschlussstifte mit einem Steckverbinder auf. Einerseits
benötigt
im Betrieb der Piezoaktuator Sauerstoff, andererseits soll der Piezoaktuator
möglichst
gegen ein Eindringen des Betriebsmediums des Verbrennungsmotors,
wie z.B. Öl, geschützt sein.
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Aus
EP 1 628 015 A1 ist
eine Abdichtungsanordnung eines Piezoaktors eines Kraftstoffinjektors bekannt,
bei der dem Piezoaktor eine Kopfanordnung aufgesetzt ist, die mit Öffnungen
zum Durchtritt der Anschlussstifte versehen ist. Dabei ist eine
Abdichteinheit vorgesehen, die einen Träger aufweist, an welchem ein
dichtendes Material angeordnet ist, das an Umfangsflächen der
Anschlussstifte und an einem Umfangsbereich der Kopfanordnung dichtend anliegt.
Dabei ist ein aus mikroporösem
Material gebildetes Teil zur Schaffung einer Gaspermeabilität integriert.
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Aus
EP 1 628 016 A1 ist
ein Stellantrieb für ein
Kraftstoffinjektor einer Brennkraftmaschine offenbart, bei dem eine
durch ein Stellantriebsgehäuse hindurch
verlaufende Gasaustauschpassage vorgesehen ist, wobei eine auf die
Kopfanordnung aufgesetzte Abdichteinheit zur Abdichtung des Piezoaktors vorgesehen
ist, die ein Träger
aufweist, an welchem ein dichtendes Material angeordnet ist. Eine
eventuell zu einem Gasaustauschanteil vorgedrungene Flüssigkeit
fließt
dabei schwerkaftbedingt vom Gasaustauschteil ab.
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Aus
DE 44 12 277 A1 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
Brennkrafteinspritzventil bekannt, bei dem Kontaktstifte vorhanden
sind, die weitgehend von Kunststoff umspritzt sind. In der Praxis
bilden sich feinste Kapillarspalte zwischen den Kontaktstiften und
der Kunstoffumspritzung. Bei Erwärmung bzw.
Abkühlung
findet entlang dieser Kapillarspalte ein Druckausgleich statt, mit
dem auch Feuchtigkeit in das Innere des Ventils gelangen kann. Durch Schaffen
eines gezielten Druckausgleichs wird diese Kapillarströmung unterbunden.
Im axialen Erstreckungsbereich der Magnetspule ist deshalb wenigstens
eine radial verlaufende Querbohrung im Ventilgehäuse eingebracht, die durch
eine ringförmig
das Ventilgehäuse
umgebene Membran überdeckt
ist. Die Membran ermöglicht
ein Druckausgleich ohne Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit
in den Ventilinnenraum.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Piezoaktuatorvorrichtung derart
auszuführen,
dass einerseits ein Sauerstoffaustausch möglich ist, einer Verschmutzung
des Piezoaktuators jedoch zumindest vorgebeugt wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Piezoaktuatorvorrichtung für ein Kraftstoff-Einspritzventil
eines Verbrennungsmotors, aufweisend ein Gehäuse, einen innerhalb des Gehäuses angeordneten
Piezoaktuator mit Anschlussstiften, eine mit ersten Öffnungen
zum Durchtritt der Anschlussstifte versehene und auf dem Gehäuse aufgesetzte
Kopfplatte und eine an der Kopfplatte aufgesetzte Kontaktbaugruppe
für eine
elektrische Verbindung der Anschlussstifte mit einem Steckverbinder,
dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoaktuatorvorrichtung ein aus
einem flüssigkeitsdichten
und gaspermeablen Material gebildetes flächenhaftes Dichtelement und
die Kopfplatte wenigstens eine Aussparung mit wenigstens einer zweiten Öff nung für einen
Gasaustausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses aufweist,
und das flächenhafte
Dichtelement in der Aussparung der Kopfplatte angeordnet ist. Der
Piezoaktuator der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
ist innerhalb des Gehäuses
angeordnet, das wiederum mit der Kopfplatte abgeschlossen ist. Durch
die ersten Öffnungen
treten die Anschlussstifte des Piezoaktuators heraus. Die wenigstens
zweite Öffnung
ist dafür
vorgesehen, einen Sauerstoffaustausch zwischen der Umgebung und
dem Gehäuse zu
ermöglichen.
Um einer Verschmutzung des Piezoaktuators insbesondere gegen Öl des Verbrennungsmotors
vorzubeugen, umfasst die erfindungsgemäße Piezoaktuatorvorrichtung
das aus einem flüssigkeitsdichten
und gaspermeablen Material gefertigte flächenhafte Dichtelement, das
in der Aussparung der Kopfplatte angeordnet ist. Durch die flüssigkeitsdichte
Eigenschaft des flächenhaften
Dichtelementes wird ein Eindringen insbesondere von Öl durch
die zweite Öffnung
verhindert. Die gaspermeable Eigenschaft des Materials des flächenhaften
Dichtelements ermöglicht
jedoch einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Gehäuses mit
seiner Umgebung durch die zweite Öffnung. Dadurch sind Voraussetzungen
geschaffen, dass der Piezoaktuator einerseits mit Sauerstoff versorgt
und andererseits nicht mit Betriebsmedien des Motors verschmutzt
wird.
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Ein
geeignetes Material für
das flächenhafte Dichtelement
ist beispielsweise ein Silikonwerkstoff, wie z.B. ein Fluor-Silikon-Werkstoff, "FVMQ".
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Um
ein Eindringen von Fremdstoffen, insbesondere von Öl, durch
die ersten Öffnungen
zu verhindern, sind nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
diese mit Dichtringen abgedichtet. Geeignete Dichtringe (O-Ringe)
sind beispielsweise aus der
DE 102 51 225 A1 bekannt.
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Nach
einer Variante der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
ist beispielhaft die Aussparung in die Kopfplatte gefräst und/oder
ist die zweite Öffnung
in die Kopfplatte gebohrt. Dies ermöglicht eine relativ preisgünstige Herstellung
der erfindungsgemäße Piezoaktuatorvorrichtung.
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Für eine verbesserte
Abdichtung gegen ein Eindringen von beispielsweise Öl in das
Gehäuse
der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung,
weist nach einer Variante das flächenhafte
Dichtelement eine umlaufende Ringwulst auf.
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Um
bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise im Bereich von –40°C, eine durch
eine Verformung der Dichtscheibe bedingtes Verschließen der zweiten Öffnung entgegenzuwirken,
weist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
diese ein Abstandselement auf, das zwischen der Aussparung der Kopfplatte
und dem flächenhaften
Dichtelement angeordnet ist. Das Abstandselement hat beispielsweise
eine gitterförmige
Struktur und ist beispielsweise aus Kunststoff gefertigt.
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Um
einen möglichst
guten Gasaustausch zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Umgebung zu erhalten,
ist es vorteilhaft, dass die wirksame Fläche des Dichtelementes möglichst
groß ist.
Nach einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
weist die Kontaktbaugruppe eine der Aussparung der Kopfplatte entsprechende Aussparung
für einen
Hohlraum für
das flächenhafte Dichtelement
auf.
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Im
Betrieb der Piezoaktuatorvorrichtung erhitzt diese. Dadurch kann
sich der Druck im Inneren des Gehäuses erhöhen, wodurch es möglich ist,
dass sich das flächenhafte
Dichtelement von der Kopfplatte abgewandt aufwölbt. Um diesem entgegenzuwirken,
weist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
diese eine zwischen der Kopfplatte und Kontaktbaugruppe angeordnete
Fixiereinrichtung für
das Dichtungselement auf. Die Fixierein richtung ist beispielsweise
flächenhaft
ausgeführt
und umfasst bevorzugt Öffnungen.
Des Weiteren ist die Fixiervorrichtung vorteilhaft derart ausgeführt, dass
sie plan über
der Aussparung der Kopfplatte liegt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
ist das Dichtelement und/oder die Aussparung der Kopfplatte zur
Maximierung der Piezoaktionsfläche
stadionförmig
ausgebildet.
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Mit
der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung
ist es möglich,
einerseits einen möglichst hohen
Gasaustausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses zu
erhalten, jedoch gleichzeitig die Piezoaktuatorvorrichtung relativ
gut gegen ein Eindringen von Betriebsmedien des Verbrennungsmotors
abzudichten. Das Dichtelement umfasst bevorzugt ein gaspermeables
Elastomer, das durch eine Kombination einer relativ großen Permeationsfläche und
geringer Wandstärke
für einen relativ
guten Gasaustausch sorgt, und gleichzeitig durch die bevorzugte
Ringwulst eine relativ gute axiale Abdichtung des Gehäuseinneren
gegen das Betriebsmedium des Verbrennungsmotors bietet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
ist exemplarisch in den schematischen Zeichnungen dargestellt. Es
zeigen:
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1 eine
Piezoaktuatorvorrichtung mit einem Gehäuse und einer Anschlussvorrichtung,
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2 das
Gehäuse
der Piezoaktuatorvorrichtung,
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3 und 4 eine
Kopfplatte der Piezoaktuatorvorrichtung,
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5 einen
Teil der Piezoaktuatorvorrichtung in ge schnittener Darstellung
und
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6 eine
scheibenförmige
Fixiereinrichtung..
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Die 1 zeigt
eine Piezoaktuatorvorrichtung 1 mit einem im Falle des
vorliegenden Ausführungsbeispieles
zylinderförmigen
Gehäuse 2 aus Metall,
das in der 2 näher dargestellt ist und an einem
der Enden mit einer scheibenförmigen,
in den 3 bis 4 näher dargestellten Kopfplatte 3 aus Metall
abgeschlossen ist. Das andere Ende des Gehäuses 2 ist mit einer
nicht näher
dargestellten Membran abgedichtet. Im Bereich der Membran ist in
an sich bekannter Weise eine Wirkverbindung zwischen einem in der 5 dargestellten
und innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten
Piezoaktuator 4 und einem nicht dargestellten Kraftstoffeinspritzventil
vorgesehen, um eine axiale Längsveränderung
des Piezoaktuators 4 auf ein Betätigungsglied eines Einlassventils
des Kraftstoffeinspritzventils zu übertragen.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
sind in der Kopfplatte 3 beispielhaft vier Öffnungen 5, 6, 7 und 8 gebohrt.
Durch die Öffnungen 5 und 6 der
Kopfplatte 3 ragen Anschlussstifte 9 und 10 des
Piezoaktuators 4 heraus. Die Öffnungen 7 und 8 sind
dafür vorgesehen,
einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Gehäuses 2 und seiner
Umgebung zu ermöglichen.
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Zur
Abdichtung des Piezoaktuators 4 im Bereich der Öffnungen 5 und 6,
durch die die Anschlussstifte 9 und 10 durch die
Kopfplatte 3 aus dem Gehäuse 2 herausragen,
umfasst die Piezoaktuatorvorrichtung 1 einen O-förmigen Dichtring 11 und
einen O-förmigen
Dichtring 12, die im oberen Bereich der Öffnungen 5 und 6 über die
Anschlussstifte 9 und 10 übergestülpt sind. Die beiden O-förmigen Dichtringe 11 und 12 sind
im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
aus einem kraftstoffbeständigen
und flüssigkeitsabweisenden
Elastomer gefertigt.
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Des
Weiteren ist in die Kopfplatte 3 eine stadienförmige Aussparung 14 in
die vom Gehäuseinneren
des Gehäuses 2 abge wandten
Seite der Kopfplatte 3 eingebracht. Die vom Inneren des
Gehäuses 2 abgewandte
Seite der Kopfplatte 3 ist in der 3 und die
zum Inneren des Gehäuses 2 gewandte
Seite der Kopfplatte 3 ist in der 4 dargestellt.
Die Aussparung 14 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
einen Bodenbereich 15, in dem die beiden für den Gasaustausch
zwischen dem Inneren des Gehäuses
und seiner Umgebung vorgesehenen Öffnungen 7 und 8 gebohrt
sind.
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Bei
der Montage der Piezoaktuatorvorrichtung 1 wird in die
Aussparung 14 auf deren Bodenbereich 15 ein in
der 2 dargestelltes Abstandselement 16 gelegt.
Das Abstandselement 16 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
aus Kunststoff gefertigt und umfasst mehrere Löcher 17. Das Abstandselement 16 ist
ferner flächenhaft
ausgeführt und
der Bodenbereich 15 der Aussparung 14 ist von einem
Randbereich 18 derart abgesetzt, dass das Abstandselement 16 in
diesen abgesetzten Bereich auf den Bodenbereich 15 im Wesentlichen
passgenau eingesetzt werden kann. Zur Fixierung des Abstandselementes 16 umfasst
dieses im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles zwei Zapfen 19, 20,
die im montierten Zustand der Piezoaktuatorvorrichtung 1 mit
den Öffnungen 7 und 8 zusammenwirken.
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In
die Aussparung 14 und auf dem Abstandselement 16 liegend
angeordnet befindet sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels
eine stadionförmig
ausgeführte
Dichtung 21 aus einem flüssigkeitsdichten und gaspermeablen
Elastomer des Typs FVMQ. Die Dichtung 21 umfasst im Falle
des vorliegenden Ausführungsbeispieles
eine um das Abdichtelement 21 herumlaufende Ringwulst 22 und
einen von der Ringwulst 22 umkränzten flächenhaften Bereich 23.
Das Abdichtelement 21 und speziell die Ringwulst 22 sind
derart ausgeführt,
dass sie dichtend an den Randbereich 18 der Aussparung 14 anliegen.
Der Randbereich 18 der Aussparung 14 ist der Form
der Ringwulst 22 angepasst. Durch die flüssigkeitsabweisende
Eigenschaft des Dichtelementes 21 sind somit die Öffnungen 7 und 8 der
Kopfplatte gegen ein Eindringen von Öl abgedichtet. Durch die gaspermeable
Eigenschaft des Dichtelementes 21 ist jedoch ein Gasaustausch
vom Inneren des Gehäuses 2 mit
seiner Umgebung durch die Öffnungen 7 und 8 der
Kopfplatte 3, den Öffnungen 17 des
Abstandselementes 16 und durch das Dichtelement 21 möglich.
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Auf
der Kopfplatte 3 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
eine scheibenförmige Platte 24 angeordnet.
Die Platte 24 umfasst Öffnungen 25 und 26,
durch die die Anschlussstifte 9 und 10 hindurch
ragen. Die Platte 24 umfasst ferner mehrere Öffnungen 27,
die in der Platte 24 derart angeordnet sind, so dass sie
oberhalb des Dichtelementes 21 im eingebauten Zustand der
Piezoaktuatorvorrichtung 1 liegen. Die Platte 24 ist
in der 2 und in der 6 dargestellt,
wobei die 2 die Platte 24 von
derjenigen Seite zeigt, die vom Gehäuse 2 abgewandt ist, und
die 6 die Platte 24 von derjenigen Seite zeigt,
die dem Gehäuse 2 zugewandt
ist.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
umfasst die Platte 24 einen stadienförmigen Steg 28, der
im eingebauten Zustand der Piezoaktuatorvorrichtung 1 die
Ringwulst 22 gegen die Seitenwandung 18 der Aussparung 14 drückt. Die Öffnungen 27 sind
dafür vorgesehen,
einen Gasaustausch zwischen dem Inneren des Gehäuses 2 mit seiner Umgebung
zu ermöglichen.
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Im
Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles
haben die Anschlussstifte 9 und 10 verschiedene
Durchmesser, weshalb sich auch die Durchmesser der beiden Öffnungen 25 und 26 der
Platte 24 unterscheiden. Um ein korrektes Einbauen der Platte 24 zu
erleichtern, umfasst die Kopfplatte 3 eine kreisförmige Aussparung 29,
in die ein Zapfen 30 der Platte 24 eingreift.
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Die
Piezoaktuatorvorrichtung
1 umfasst ferner eine auf die
Kopfplatte
3 gepresste und in den Figuren nicht näher dargestellte,
jedoch beispielsweise aus der
DE 102 51 225 A1 bekannte Kontaktbaugruppe,
mit der die Anschlussstifte
9 und
10 mit einem
Stecker
31 verbunden sind.
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Die
Kontaktbaugruppe umfasst Kontaktzungen, von denen in der 5 eine
Kontaktzunge 32 dargestellt ist. Die Kontaktzungen 32 sind
an einem Ende mit den Anschlussstiften 9 und 10 verschweißt und bilden
mit ihrem anderen Ende zusammen mit einer Kunststoffumspritzung 33 den
Stecker 31 zum Anschluss der Piezoaktuatorvorrichtung 1 an
das restliche Einspritzsystem.
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Die
Kontaktgruppe ist mit einem Gehäuse 34,
das auch in der 6 dargestellt ist, umspritzt,
an dem wiederum die Kunststoffumspritzung 33 des Steckers 31 angeformt
ist. Das Gehäuse 34 der
Kontaktgruppe ist mit einem an das Gehäuse 34 angeschweißten Deckel 35 verschlossen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles
beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese
beschränkt,
sondern auf vielfältige
Weise modifzierbar.