Beschreibung
Titel
Anordnung mit einem von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor, beispielsweise bei einem Piezoaktor in Einspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Stand der Technik Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors ein Piezoelement so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Das Piezoelement ist aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinjektors aus der DE 10026005 Al bekannt, der zur An- Steuerung der Düsennadel bei Injektoren zur Einspritzung von
Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Piezoelement als
Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezokera- mischer Schichten aufgebaut, der unter Vorspannung zwischen zwei Anschlagen gehalten ist. Jede piezokeramische Schicht ist als Piezolage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung fuhren die piezokera- mischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzialgefalles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addieren. Dieser Gesamthub ist über die Hohe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied übertragen werden.
Solche bekannten Anordnungen werden häufig zur Einbringung von Kraftstoff in direkt einspritzende Dieselmotoren als so genannte Common Rail Systeme eingesetzt. Bei diesen als Common Rail Injektoren bekannten Systemen kann dabei der Einspritzdruck auf einfache Weise an die Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors angepasst werden.
Diese Common Rail Injektoren können dabei so aufgebaut werden, dass eine direkt vom Piezoaktor gesteuerte Dusennadel vorhan- den ist, wobei der Piezoaktor direkt vom Raildruck des Kraftstoffs umgeben ist und zwischen der Dusennadel und dem Piezoaktor lediglich ein hydraulischer Kopplungsraum vorgesehen ist. Der Raildruck kann bis zu 2000 bar betragen, dem die Keramik des Piezoelements ausgesetzt wird. Da die Piezokeramik häufig eine gewisse Porosität oder auch feine Risse an der O- berflache hat, ist es nicht auszuschließen, dass bei einem ungeschützten Piezoaktor Dieselkraftstoff in die Fehlstellen eindringt. Da der Piezoaktor aus Schichten besteht, die jeweils durch positive und negative Innenelektroden getrennt sind, muss sichergestellt sein, dass es bei eventuell frei liegenden Innenelektroden zu keinem elektrischen Überschlag kommt .
Obwohl Dieselkraftstoff prinzipiell ein guter elektrischer I- solator ist, kann der in den üblichen Dieselkraftstoffen ent- haltene Wasseranteil zu solchen Überschlagen fuhren, was zum
Ausfall des Piezoaktors fuhren kann. Neben dem Wasser im Dieselkraftstoff können auch Verunreinigungen des Dieselkraftstoffs sich auf der Keramik des Piezoelements ablagern und einen elektrischen Überschlag ermöglichen. Aus der DE 10230032 Al ist zur Vermeidung solcher Nachteile eine Anordnung mit einem Piezoaktor in umströmenden Medien bekannt, bei der die Keramikschichten des Piezoelements in einer formveranderlichen Isolationsmasse vergossen sind, die wiederum in einem seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem Medium fest verschlossenen Gehausemantel eingebracht ist. Um Volumenanderung der Isolationsmasse im Betrieb auszugleichen, weist der Gehausemantel im Verlauf seiner axialen Ausdehnung Taillierungen auf.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer eingangs beschriebenen Anordnung mit einem Piezoaktor aus, der mit einem Piezoelement aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen aufgebaut ist, wobei zwischen den Piezolagen angeordnete Innenelektroden in Richtung des La- genaufbaus des Piezoelements abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind. Es ist ein mit einem flussigen Isolationsmedium gefüllter Raum vorhanden, wobei das flussige Isolationsmedium mindestens die Piezolagen umgibt und gegenüber einem weiteren flussigen Medium in einem äußeren Raum durch eine formveran- derliche Hülse abgedichtet ist. Die Hülse ist gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise in vorgegeben Grenzen zumindest in Teilbereichen ihrer Langsausdehnung elastisch aufgebaut, wobei an den axialen Enden der Hülse im Bereich eines Aktorfußes und eines Aktorkopfes Dichtstellen mit Dichtelementen vorhanden sind, die korrespondierend mit der Elastizität der Hülse durch Form- und/oder Lageveranderung einen vorgegebenen Volumenausgleich im Raum mit dem Isolationsmedium, zum Beispiel ein Kon- densatorol, bewirken.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfuhrungsform liegt das Dichtelement im Bereich des Aktorkopfes in einer sich axial erstreckenden Ringnut, in der das Dichtelement zum Volumenausgleich axial beweglich ist. Die Ringnut und das Dichtelement können dabei auf einfache Weise so bemessen sein, dass der Querschnitt der Ringnut multipliziert mit der axialen Verschiebung des Dichtelements dem auszugleichenden Volumen entspricht. Der Raum mit dem Isolationsmedium kann weiterhin auch noch mit festen Fullstucken teilweise ausgefüllt werden. Bei einer vorteilhaften Anwendung kann die erfindungsgemaße Anordnung mit dem Piezoaktor ein Piezoinjektor für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor sein, wobei der Kraftstoff, zum Beispiel Diesel, den äußeren Raum durchströmt . Die vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemaßen Hülse ermöglicht somit auf einfache Weise, dass die Piezokeramik des Pie- zoaktors dauerhaft im Betrieb vor Verunreinigungen und Wasser im Dieselkraftstoff geschützt werden kann und somit elektrische Überschlage zwischen den Innenelektroden vermieden werden können. Neben dem reinen Schutz der Keramik ist durch die vorgeschlagene elastische Ummantelung des Piezoaktors mit der Hülse sichergestellt, dass die Keramik des Piezoaktors im Betrieb einen Hub von mehreren μm ausfuhren kann.
Die Verbindung zu dem Aktorkopf und dem Aktorfuß muss in jedem Fall kraftstoffresistent und dicht sein. Bei herkömmlichen Be- schichtungsverfahren kann nicht sichergestellt werden, dass auch Fehlstellen unterhalb der Aktoroberflache, zum Beispiel im Bereich der elektrischen Kontaktierung, absolut blasenfrei beschichtet werden. Im Betrieb des Piezoaktors bei einem Pie- zoinjektor konnten eventuell bei 2000 bar Druck die Blasen zusammengedruckt werden und es kann somit zu mechanischen Spannungen in der Beschichtung oder sogar zu Rissen kommen.
Bei einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung kann die Hülse auch ein elastischer Schlauch sein, der mit entsprechenden Dichtstellen direkt am Aktorkopf und am Aktorfuß angefugt ist.
Weiterhin ist es auch möglich, dass die Hülse eine feste Hülse aus Kunststoff, zum Beispiel ein Spritzgussteil ist, das im mittleren Bereich dünnwandiger gestaltet ist als in den Endbereichen, und dass die Hülse dann mit entsprechenden Dichtstel- len direkt am Aktorkopf und am Aktorfuß angefügt ist. Hierbei können in der Hülse im Bereich der Dichtstellen zur Verstärkung in diesem Bereich auch Einlegeteile eingefügt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch eine Anordnung mit einem Piezo- aktor in einem Piezoinjektor für die Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor, Figur 2 eine detaillierte Ansicht des Piezoinjektors nach der Figur 1 und
Figur 3 ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Piezoinjektors nach der Figur 1.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Anordnung 1 mit einem Piezoaktor gezeigt, die beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Im oberen Teil ist ein In- jektorkörper 2 vorhanden, durch den hier die elektrischen Zuleitungen 3 und 4 für die elektrische Spannung zur Ansteuerung eines Piezoelements 5 geführt werden.
Das Piezoelement 5 ist Bestandteil eines Piezoaktors 6, der weiterhin noch einen Aktorfuß 7 und einen Aktorkopf 8 auf- weist. Die Zuleitungen 3 und 4 sind zu Außenelektroden am Piezoelement 5 geführt, das bei einer Betätigung durch eine Spannungsbeaufschlagung über eine sich hier senkrecht unterhalb
des Piezoaktors 6 befindliche mechanische Anordnung mit einem Koppler 9 auf eine Dusennadel 10 derart wirkt, dass hier eine Freigabe einer Dusenoffnung 11 erfolgen kann.
Ein durch den Innenraum des Injektorkorpers 2 geführter Kraft- Stoff kann somit durch den Aktormodulkorper 12 in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden. Der Aktormodulkorper 12 ist dazu mit dem Injek- torkorper 2 mechanisch fest und druckdicht verbunden. Über eine hier nicht dargestellte Kraftstoffzulaufbohrung wird ein Raum 13 im Aktormodulkorper 12 komplett mit Kraftstoff, z.B.
Dieselkraftstoff, unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck befullt.
Aus Figur 2 ist eine vergrößerte Darstellung des Bereichs mit dem Piezoaktor 6 nach der Figur 1 gezeigt, wobei für gleiche Bauelemente identische Bezugszeichen vergeben worden sind.
Hiermit soll erläutert werden, dass ein den Piezoaktor 6 direkt umgebender Raum 14 mit einem Isolationsmedium wie zum Beispiel Kondensatorol befullt ist. Es ist eine Hülse 15 vorhanden, die bei der Montage der Anordnung 1 über den Piezoak- tor 6 geschoben wird und dabei über Dichtelemente 16 und 17 den Kraftstoff im Raum 13 gegen das Isolationsmedium im Raum 14 abdichtet.
Die im Betrieb der Anordnung 1 auftretenden Druckschwingungen im Raum 13 werden somit direkt über die vorzugsweise dunnwan- dige Hülse 15 auf das Isolationsmedium im Raum 14 weitergegeben. Je nach dem wie groß das Volumen des Raumes 14 konstruktiv ausgeführt ist, kommt es aufgrund der geringen Kompressibilität des Isolationsmediums im Raum 14 bei Drucken um 2000 bar und einer entsprechenden Warmeausdehnung im Bereich von - 40 bis +150 0C zu Volumenanderungen im Bereich von mehreren mm3.
Wenn, wie beim dargestellten Ausfuhrungsbeispiel nach der Figur 2, die Hülse 15 aus Stahl ist, können über die hierbei relativ dünne Wand der Hülse 15 nur kleine Volumenanderungen
ausgeglichen werden. Für diesen Fall ist eine Ringnut 18 für das Dichtelement 17 so ausgelegt, dass eine axiale Verschiebung ( Pfeil 19) des Dichtelementes 17 ermöglicht wird. Der Querschnitt der Ringnut 18 multipliziert mit der axialen Ver- Schiebung des Dichtelementes 17 entspricht dann dem Volumen, das im Raum 14 ausgeglichen werden kann.
Bei einer optimalen konstruktiven Auslegung der Ringnut 18 und der Hülse 15 kann mit der vorgeschlagenen Ausführung erreicht werden, dass der Druck des Mediums, hier Dieselkraftstoff, im Raum 13 über die Hülse 14 direkt auf den Raum 14 mit dem Isolationsmedium weitergegeben wird. Die Anforderungen an die Dichtelemente 16 und 17 in Bezug auf Ihre Dichtfunktion sind dabei relativ gering.
Im Betrieb der vorgeschlagenen Anordnung 1 als Piezoinjektor für Kraftstoff kann der Piezoaktor 6 als Hub Längsbewegungen beispielsweise in der Größenordnung bis zu 0,1 mm ausüben. Bei diesen relativ kleinen Hüben wird sich der Aktorkopf 8 im Bereich des Dichtelementes 17 relativ zur Hülse 15 bewegen. Da der Hub im Verhältnis zu den Abmessungen des Dichtelements 17 relativ klein ist, wird der Hub sich als Deformation bzw. Verschiebung des Elastomermaterials des Dichtelements 17 übertragen. Das Dichtelement 17 wirkt hierbei also quasi wie eine Membran, was in Bezug auf Verschleiß und Durchmischung der Medien in den Räumen 13 und 14 von Vorteil ist. Um Bauraum für den oben vorgeschlagenen Volumenausgleich über eine verlängerte Ringnut 18 am Dichtelement 17 zu schaffen, ist es auch möglich bei einer andern Ausführung der Erfindung, über hier nicht dargestellte Füllstücke das Volumen des Isolationsmediums im Raum 14 möglichst klein zu halten. Die zuvor beschriebene Volumenänderung bei Druck- und/oder Temperaturänderungen der Medien ist immer prozentual zum Ausgangsvolumen. Bei unveränderten Außenabmessungen des Piezoaktors 6 kann über die relativ dünnwandige Hülse 15 immer der gleiche Betrag des jeweiligen Volumens ausgeglichen werden. Je kleiner das auszu-
gleichende Volumen somit ist, desto einfacher wird der Volumenausgleich über die dünnwandige Hülse 15.
Eine weitere hier nicht explizit dargestellte Möglichkeit des Volumenausgleichs ist die Verwendung einer entsprechend elas- tischen Hülse 15, zum Beispiel als ein Schlauchstück, das an beiden axialen Enden auf dem Aktorkopf 8 und am Aktorfuß 7 abdichtet. Auch hiermit wird erreicht, dass sich im Inneren des Schlauches (entsprechend der Hülse 15) das Isolationsmedium im Raum 14 befindet und der Raildruck des Mediums im Raum 13 di- rekt auf das Isolationsmedium im Raum 14 weitergegeben wird. Die hier entsprechend anders ausgestalteten Dichtstellen des Schlauches am Aktorkopf 8 und am Aktorfuß 7 erfahren dadurch keine Druckdifferenzen, was somit auch keine Leckagen verursachen kann, da die Längsbewegung des Piezoaktors 6 direkt von der Elastizität des Schlauches aufgenommen wird.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungemä- ßen Anordnung gezeigt, bei der eine feste Hülse 20 als Umman- telung des Isolationsmediums im Raum 13 vorhanden ist. Da eine solche feste Hülse 20 auch einen mechanischen Schutz des Pie- zoaktors 6 beim Transport und bei der Montage bietet, ist hier auch ein Spritzgussteil aus Kunststoff als Hülse 20 in Kombination mit entsprechend angepassten Dichtelementen 21 und 22 einsetzbar .
Um zu verhindern, dass der Kunststoff der Hülse 20 über seine Lebensdauer kriecht und sich dadurch die Vorspannkraft an den Dichtelementen 21 und 22 verringert, sind beim in der Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich der Dichtelemente 21 und 22 Einlegeteile 23 und 24 aus Metall mit eingespritzt. Im mittleren Bereich ist die Hülse 20 aus Kunststoff dünnwan- diger gestaltet als an den axialen Enden, so dass hier ein Volumen- und Druckausgleich über eine Durchmesserveränderung entsprechend der Pfeile 25 stattfinden kann.