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Dokumentenidentifikation DE102005051287A1 03.05.2007
Titel Piezoaktuatorvorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzventil
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bohlmann, Tim, 14109 Berlin, DE;
Denzler, Michael, 93055 Regensburg, DE;
Plecher, Klaus, 93197 Zeitlarn, DE;
Sanftleben, Emanuel, 93102 Pfatter, DE;
Unruh, Marcus, 93197 Zeitlarn, DE;
Weidemann, Stefan, 94360 Mitterfels, DE;
Zumstrull, Claus, 93128 Regenstauf, DE
DE-Anmeldedatum 26.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005051287
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse F02M 51/06(2006.01)A, F, I, 20051026, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Piezoaktuatorvorrichtung (1) für ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors. Die Piezoaktuatorvorrichtung (1) weist ein Gehäuse (2), einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Piezoaktuator (4) mit Anschlussstiften (9, 10), eine mit ersten Öffnungen (5, 6) zum Durchtritt der Anschlussstifte (9, 10) versehene und auf dem Gehäuse (2) aufgesetzte Kopfplatte (3), eine an der Kopfplatte (3) aufgesetzte Kontaktbaugruppe für eine elektrische Verbindung der Anschlussstifte (9, 10) mit einem Steckverbinder (31) und ein aus einem flüssigkeitsdichten und gaspermeablen Material gebildetes flächenhaftes Dichtelement (21) auf. Die Kopfplatte (3) weist wenigstens eine Aussparung (16) mit wenigstens einer zweiten Öffnung (7, 8) für einen Gasaustausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses (2) auf und das flächenhafte Dichtelement (21) ist in der Aussparung (14) der Kopfplatte (3) angeordnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Piezoaktuatorvorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors.

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.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Piezoaktuatorvorrichtung derart auszuführen, dass einerseits ein Sauerstoffaustausch möglich ist, einer Verschmutzung des Piezoaktuators jedoch zumindest vorgebeugt wird.

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 Öffnung 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.

Ein geeignetes Material für das flächenhafte Dichtelement ist beispielsweise ein Silikonwerkstoff, wie z.B. ein Fluor-Silikon-Werkstoff, "FVMQ".

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.

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.

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.

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.

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.

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 Fixiereinrichtung 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.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Piezoaktuatorvorrichtung ist das Dichtelement und/oder die Aussparung der Kopfplatte zur Maximierung der Piezoaktionsfläche stadionförmig ausgebildet.

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.

Ein Ausführungsbeispiel ist exemplarisch in den schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

1 eine Piezoaktuatorvorrichtung mit einem Gehäuse und einer Anschlussvorrichtung,

2 das Gehäuse der Piezoaktuatorvorrichtung,

3 und 4 eine Kopfplatte der Piezoaktuatorvorrichtung,

5 einen Teil der Piezoaktuatorvorrichtung in ge schnittener Darstellung und

6 eine scheibenförmige Fixiereinrichtung.

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.

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.

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.

Des Weiteren ist in die Kopfplatte 3 eine stadienförmige Aussparung 14 in die vom Gehäuseinneren des Gehäuses 2 abgewandten 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.

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.

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 7und 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifzierbar.


Anspruch[de]
Piezoaktuatorvorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzventil eines Verbrennungsmotors, aufweisend ein Gehäuse (2), einen innerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Piezoaktuator (4) mit Anschlussstiften (9, 10), eine mit ersten Öffnungen (5, 6) zum Durchtritt der Anschlussstifte (9, 10) versehene und auf dem Gehäuse (2) aufgesetzte Kopfplatte (3) und eine an der Kopfplatte (3) aufgesetzte Kontaktbaugruppe für eine elektrische Verbindung der Anschlussstifte (9, 10) mit einem Steckverbinder (31), dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoaktuatorvorrichtung (1) ein aus einem flüssigkeitsdichten und gaspermeablen Material gebildetes flächenhaftes Dichtelement (21) und die Kopfplatte (3) wenigstens eine Aussparung (16) mit wenigstens einer zweiten Öffnung (7, 8) für einen Gasaustausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Gehäuses (2) aufweist, und das flächenhafte Dichtelement (21) in der Aussparung (14) der Kopfplatte (3) angeordnet ist. Piezoaktuatorvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das flüssigkeitsdichte Material des flächenhaften Dichtelements (21) einen Fluorsilikonwerkstoff und/oder ein Elastomer umfasst. Piezoaktuatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die ersten Öffnungen (5, 6) der Kopfplatte (3) mit Dichtringen (21) abgedichtet sind. Piezoaktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Aussparung (14) in die Kopfplatte (3) gefräst und/oder die zweiten Öffnung (7, 8) in die Kopfplatte (3) gebohrt ist. Piezoaktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei der das flächenhafte Dichtelement (21) eine umlaufende Ringwulst (22) aufweist. Piezoaktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 die ein Abstandselement (16) aufweist, das zwischen der Aussparung (14) der Kopfplatte (3) und dem flächenhaften Dichtelement (21) angeordnet ist. Piezoaktuatorvorrichtung nach Anspruch 6, bei der das Abstandelement (14) eine gitterförmige Struktur hat. Piezoaktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Kontaktbaugruppe eine der Aussparung der Kopfplatte (3) entsprechende Aussparung für einen Hohlraum für das flächenhafte Dichtelement (21) aufweist. Piezoaktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aufweisend eine zwischen der Kopfplatte (3) und Kontaktbaugruppe angeordnete Fixiereinrichtung (24) für das Dichtelement (21). Piezoaktuatorvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Fixiereinrichtung (24) flächenhaft ausgeführt ist und/oder Öffnungen (27) umfasst. Piezoaktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das Dichtelement (21) und/oder die Aussparung (14) der Kopfplatte (3) stadienförmig ausgebildet sind.






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