Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem mit einem im Hochdruckraum angeordneten Piezo-Aktor und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Einspritzsystems.
Einspritzsysteme und insbesondere lecköllose Common-Rail-Einspritzsysteme erfordern ein Steuerelement, wie beispielsweise einen Piezo-Aktor im Hochdruckraum. Um die Arbeitsfähigkeit des Piezo-Aktors auch unter hohen Drücken bis über 2000 bar zu gewährleisten, muss der Druck auch seitlich auf den Piezo-Stapel beziehungsweise Piezo-Keramikkörper wirken können, um die Dehnungsfähigkeit des Piezo-Stapels des Piezo-Aktors zu unterstützen.
Ein solcher Piezo-Aktor ist beispielsweise in der
Außerdem ist der Anmelderin zur Übertragung des Druckes auf den Piezo-Stapel des Piezo-Aktors intern eine Lösung mit einer hermetisch dichten, metallischen Hülse bekannt, die zwischen dem Piezo-Stapel und der Hülse einen Aktor-Innenraum bereitstellt. In dem Aktor-Innenraum wird ein Füllstoff, z.B. ein Silikonöl, zur Übertragung der hydraulischen Kräfte auf die Seitenflächen des Piezo-Keramikkörpers vorgesehen. Diese der Anmelderin intern bekannte Lösung hat allerdings den Nachteil, dass die Abdichtung zwischen dem Piezo-Stapel und der Hülse an der Stelle, an welcher eine elektrische Pindurchführung oder Kontaktvorrichtung zur Kontaktierung und Steuerung des Piezo-Stapels durch die Abdichtung geführt ist, nicht bei längeren Betriebsdauern und insbesondere nicht bei hohen Drücken, wie 2000 bar, hermetisch dicht bleibt. Somit besteht bei einer Undichtheit die Gefahr, dass der Füllstoff aus dem Aktor-Innenraum austreten könnte. Ein Austreten des Füllstoffs könnte den Piezo-Aktor und damit das Einspritzsystem betriebsunfähig machen.
Die Druckschrift
Die Druckschrift
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Einspritzsystem mit einem im Hochdruckraum angeordneten Piezo-Aktor bereitzustellen, das eine hermetische und insbesondere langzeitstabile Abdichtung des Aktor-Innenraums, insbesondere im Bereich der Durchführung der Kontaktvorrichtung, sicherstellt.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine temperaturstabile Abdichtung des Aktor - Innenraums sicherzustellen.
Erfindungsgemäß wird zumindest eine dieser gestellten Aufgaben durch ein Einspritzsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren zum Herstellen eines Einspritzsystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.
Demnach wird erfindungsgemäß ein Einspritzsystem zum Einspritzen von Kraftstoff mit einem vorbestimmten Kraftstoffdruck vorgeschlagen, das aufweist:
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Aktor-Innenraum gegenüber dem Gehäuseinnenraum oder Hochdruckraum des Einspritzsystems hermetisch dicht ist, so dass kein Stoffaustausch zwischen dem Aktor-Innenraum und dem Gehäuseinnenraum stattfinden kann.
Das Einspritzsystem der vorliegenden Erfindung stellt eine Funktionstrennung bereit, welche die hermetische Abdichtung des Aktor-Innenraums sicherstellt. Die Abdichtung des Kraftstoffs mit dem Kraftstoffdruck von beispielsweise 2000 bar (erste Funktion) gegenüber dem Außenraum mit Außenraumdruck, beispielsweise Atmosphärendruck, wird durch die erste Abdichtvorrichtung bereitgestellt. Die erste Abdichtvorrichtung hat demnach einen Druckunterschied von nahezu 2000 bar abzudichten. Allerdings muss die erste Abdichtvorrichtung nicht unbedingt eine hermetische Abdichtung sicherstellen, da Kraftstoff stets mit 2000 bar nachgeführt wird. Die zweite Funktion, nämlich das Abdichten des Aktor-Innenraums gegenüber dem Gehäuseinnenraum, wird durch die zweite Abdichtvorrichtung bereitgestellt. Im Gehäuseinnenraum herrscht ein Kraftstoffdruck von beispielsweise 2000 bar, der mittels des Übertragungsmittels, das die Flüssigkeit mit dem Flüssigkeitsdruck beinhaltet, auf den Piezo-Stapel übertragen wird. Folglich herrschen zwischen dem Gehäuseinnenraum und dem Aktor-Innenraum Druckunterschiede, die im Vergleich zu den Druckunterschieden zwischen Gehäuseinnenraum und Außenraum sehr klein sind und beispielsweise maximal 200 bar betragen können. Diese Druckunterschiede sind insbesondere von der Ausgestaltungsform der Umhüllung, beispielsweise als Wellrohr, abhängig. Somit hat die zweite Abdichtvorrichtung im Gegensatz zur ersten Abdichtvorrichtung nur Partialdruckunterschiede, die allenfalls 200 bar betragen können, abzudichten. Infolge der geringen Druckunterschiede, welche die zweite Abdichtvorrichtung abzudichten hat, ist der Aktor-Innenraum hermetisch dicht. Insbesondere kann diese Dichtheit auch für lange Betriebsdauern, und insbesondere für beim Betrieb auftretende Temperaturen und Temperaturunterschiede sichergestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Übertragungsmittel dazu geeignet, den außen an der Umhüllung anliegenden Kraftstoffdruck auf den Piezo-Stapel zu übertragen.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung stellt der steuerbare Piezo-Stapel einen Hub in Abhängigkeit einer Steuerspannung zum Betätigen einer Düsennadel bereit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung kontaktieren die erste Kontaktvorrichtung und die zweite Kontaktvorrichtung den Piezo-Stapel zur Steuerung des Piezo-Stapels. Dabei kontaktiert beispielsweise die erste Kontaktvorrichtung eine erste Außenelektrode des Piezo-Stapels und die zweite Kontaktvorrichtung kontaktiert eine zweite Außenelektrode des Piezo-Stapels. Zur Steuerung des Piezo-Stapels wird die erste Kontaktvorrichtung auf ein erstes elektrisches Potenzial und die zweite Kontaktvorrichtung auf ein zweites elektrisches Potenzial gesetzt. Dazu ist beispielweise die erste Kontaktvorrichtung mit einem Pluspol einer Spannungsversorgung und die zweite Kontaktvorrichtung mit einem Minuspol der Spannungsversorgung verbunden. Die Differenz zwischen dem ersten elektrischen Potenzial und dem zweiten elektrischen Potenzial bildet die Steuerspannung aus.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Aktor-Innenraum durch die Bodenplatte, die Kopfplatte, die Umhüllung und durch den Piezo-Stapel begrenzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Gehäuse eine Zufuhrvorrichtung zum Zuführen des Kraftstoffs mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck in den Gehäuseinnenraum auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die erste Abdichtvorrichtung ein erstes O-Ring-förmiges Dichtelement, welches die erste Kontaktvorrichtung im Bereich des ersten Gehäusedurchlasses abdichtend umgibt, und ein zweites O-Ring-förmiges Dichtelement auf, welches die zweite Kontaktvorrichtung im Bereich des zweiten Gehäusedurchlasses abdichtend umgibt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind/ist das erste O-Ring-förmige Dichtelement und/oder das zweite O-Ring-förmige Dichtelement aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Elastomer, ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die zweite Abdichtvorrichtung ein erstes Abdichtelement, welches die erste Kontaktvorrichtung im Bereich des ersten Kopfplattendurchlasses abdichtend umgibt, und ein zweites Abdichtelement auf, welches die zweite Kontaktvorrichtung im Bereich des zweiten Kopfplattendurchlasses dichtend umgibt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung bestehen das erste Abdichtelement und/oder das zweite Abdichtelement aus einem Glas. Glas als Abdichtelement zwischen dem Aktor-Innenraum und dem Gehäuseinnenraum hat die vorteilhafte Eigenschaft, sehr temperaturstabil zu sein. Damit wird die Dichtheit des Aktor-Innenraums selbst bei extremen Temperaturschwankungen und/oder sehr langen Belastungen bei hoher Temperatur sichergestellt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Kraftstoffdruck im Gehäuseinnenraum größer als 1500 bar, insbesondere größer als 2000 bar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung entsteht bei der Übertragung des Kraftstoffdruckes auf den Piezo-Stapel ein Druckunterschied zwischen dem Kraftstoffdruck und dem Flüssigkeitsdruck im Aktor-Innenraum, der kleiner oder gleich 200 bar ist. Ein Druckunterschied von 200 bar ergibt sich nur bei extremen Randbedingungen, so dass im Allgemeinen der Kraftstoffdruck und der Flüssigkeitsdruck nahezu gleich sind. Somit existiert ein Partialdruckunterschied zwischen dem Kraftstoffdruck und dem Flüssigkeitsdruck, der im Allgemeinen nahezu Null ist, so dass infolge der erfindungsgemäßen Funktionstrennung von hermetischer Abdichtung und der Abdichtung des Kraftstoffdruckes gegen Atmosphärendruck Glas als hermetisch abdichtendes Dichtmittel zwischen Aktor-Innenraum und Gehäuseinnenraum verwendet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das Übertragungsmittel die Flüssigkeit und zumindest einen vorgeformten Körper, der insbesondere aus einer Keramik besteht, auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Umhüllung als ein Wellrohr ausgebildet, welches eine Vielzahl von Wellen aufweist und insbesondere metallisch ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Flüssigkeit temperaturbeständig und/oder wärmeleitend und/oder elektrisch isolierend. Vorteilhafterweise ist die Flüssigkeit temperaturbeständig, so dass sich Temperaturschwankungen nicht auf die Eigenschaften der Flüssigkeit auswirken. Vorteilhafterweise ist die Flüssigkeit auch wärmeleitend, so dass keine wesentlichen Dehnungsunterschiede bei der Umhüllung und dem Piezo-Stapel bei einer Temperaturänderung auftreten können. Weiterhin ist die Flüssigkeit auch vorzugsweise elektrisch isolierend, so dass kein elektrischer Überschlag zwischen der Außenelektrode des Piezo-Stapels und der metallischen Umhüllung entstehen kann. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit ein Silikonöl.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Einspritzsystem ein Common-Rail-Einspritzsystem.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Einheiten - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
In
Das Einspritzsystem 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das einen Gehäuseinnenraum 3, der den Kraftstoff K beinhaltet, einen ersten Gehäusedurchlass 4 zur Durchführung einer ersten Kontaktvorrichtung 5 und einen zweiten Gehäusedurchlass 6 zur Durchführung einer zweiten Kontaktvorrichtung 7 aufweist.
In dem Gehäuseinnenraum 3 ist ein Piezo-Aktor 8 angeordnet. Der Piezo-Aktor 8 weist eine Kopfplatte 9, eine Bodenplatte 10, einen Piezo-Stapel 11 und eine Umhüllung 14 auf. Die Kopfplatte 9 hat einen ersten Kopfplattendurchlass 12 zur Durchführung der ersten Kontaktvorrichtung 5 und einen zweiten Kopfplattendurchlass 13 zur Durchführung der zweiten Kontaktvorrichtung 7. Der Piezo-Stapel 11 ist mittels einer Steuerspannung U steuerbar und zwischen der Kopfplatte 9 und der Bodenplatte 10 angeordnet. Der steuerbare Piezo-Stapel 11 stellt einen Hub in Abhängigkeit der Steuerspannung U zum Betätigen einer Düsennadel (nicht gezeigt) bereit.
Zwischen der Kopfplatte 9 und der Bodenplatte 10 ist eine zumindest den Piezo-Stapel 11 seitlich umgebende, dichte Umhüllung 14 angeordnet. Die Umhüllung 14 ist vorzugsweise als ein Wellrohr ausgebildet, das eine Vielzahl von Wellen aufweist und insbesondere metallisch ist.
Die Kopfplatte 9, die Bodenplatte 10, die Umhüllung 14 und der Piezo-Stapel 11 begrenzen einen Aktor-Innenraum 15. In dem Aktor-Innenraum 15 ist ein Übertragungsmittel 16 angeordnet, welches dazu geeignet ist, den außen an der Umhüllung 14 anliegenden Kraftstoffdruck P1 auf den Piezo-Stapel 11 zu übertragen. Dazu weist das Übertragungsmittel 17 zumindest eine Flüssigkeit F mit einem Flüssigkeitsdruck P2 auf. Der Kraftstoffdruck P1 ist vorzugsweise größer als 1500 bar, insbesondere größer als 2000 bar. Bei der Übertragung des Kraftstoffdruckes P1 auf den Piezo-Stapel 11 wird der Druck auf das Übertragungselement 16 übertragen, so dass der Flüssigkeitsdruck P2 im Wesentlichen dem Kraftstoffdruck P1 entspricht. Der Druckunterschied zwischen dem Kraftstoffdruck P1 und dem Flüssigkeitsdruck P2 beträgt höchstens 200 bar. Insbesondere ist die Flüssigkeit F temperaturbeständig und/oder wärmeleitend und/oder elektrisch isolierend. Beispielsweise ist die Flüssigkeit F ein Silikonöl.
Die erste Kontaktvorrichtung 5 wird durch den ersten Gehäusedurchlass 4 und den ersten Kopfplattendurchlass 12 geführt. Analog wird die zweite Kontaktvorrichtung 7 durch den zweiten Gehäusedurchlass 6 und den zweiten Kopfplattendurchlass 13 geführt. Die beiden Kontaktvorrichtungen 5, 7 sind insbesondere aus Metall oder Invar. Die erste Kontaktvorrichtung 5 und die zweite Kontaktvorrichtung 7 kontaktieren den Piezo-Stapel 11 zu dessen Steuerung. Dabei wird die erste Kontaktvorrichtung 5 auf ein erstes elektrisches Potenzial PT1 und die zweite Kontaktvorrichtung 7 auf ein zweites elektrisches Potenzial PT2 gesetzt, wobei die Differenz zwischen dem ersten elektrischen Potenzial PT1 und dem zweiten elektrischen Potenzial PT2 die Steuerspannung U ausbildet.
Weiter weist das Einspritzsystem 1 eine erste Abdichtvorrichtung 17a, 17b auf, welche die Kontaktvorrichtungen 5, 7 im Bereich der Gehäusedurchlässe 4, 6 umgibt und eine Abdichtung zwischen dem Gehäuseinnenraum 3 und einem Außenraum 18 mit einem vorbestimmten Außenraumdruck P3 bereitstellt. Der Außenraumdruck P3 ist beispielsweise der Atmosphärendruck.
Die erste Abdichtvorrichtung 17a, 17b weist ein erstes O-Ring-förmiges Dichtelement 17a, welches die erste Kontaktvorrichtung 5 im Bereich des ersten Gehäusedurchlasses 4 abdichtend umgibt, und ein zweites O-Ring-förmiges Dichtelement 17b auf, welches die zweite Kontaktvorrichtung 7 im Bereich des zweiten Gehäusedurchlasses 6 abdichtend umgibt. Die O-Ringförmigen Dichtelemente 17a, 17b sind beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem Elastomer ausgebildet.
Weiterhin weist das Einspritzsystem 1 eine zweite Abdichtvorrichtung 19a, 19b auf, welche die Kontaktvorrichtungen 5, 7 im Bereich der Kopfplattendurchlässe 12, 13 umgibt und eine Abdichtung zwischen dem Gehäuseinnenraum 3 und dem Aktor-Innenraum 15 bereitstellt. Die zweite Abdichtvorrichtung 19a, 19b weist ein erstes Abdichtelement 19a, welches die erste Kontaktvorrichtung 5 im Bereich des ersten Kopfplattendurchlasses 12 abdichtend umgibt, und ein zweites Abdichtelement 19b auf, welches die zweite Kontaktvorrichtung 7 im Bereich des zweiten Kopfplattendurchlasses 12 abdichtend umgibt. Die Abdichtelemente 19a, 19b sind insbesondere aus Gründen der Temperaturstabilität aus Glas.
Außerdem weist das Gehäuse 2 eine Zuführvorrichtung 20 auf, mittels welcher der Kraftstoff K mit dem vorbestimmten Kraftstoffdruck P1 in den Gehäuseinnenraum 3 zugeführt wird. Die Zuführvorrichtung 20 ist beispielsweise als ein Stutzen ausgebildet. Weiter weist das Einspritzsystem 1 ein Kraftübertragungselement 21 auf, welches das Gehäuse 2 mit dem Piezo-Aktor 8 koppelt.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Einspritzsystems 1 anhand des Blockschaltbildes in
Es wird ein Gehäuse 2 bereitgestellt, welches einen Gehäuseinnenraum 3, der den Kraftstoff K aufweist, einen ersten Gehäusedurchlass 4 und einen zweiten Gehäusedurchlass 6 aufweist.
In dem Gehäuseinnenraum 3 wird ein Piezo-Aktor 8 angeordnet. Der Piezo-Aktor 8 weist eine Kopfplatte 9, welche einen ersten Kopfplattendurchlass 12 und einen zweiten Kopfplattendurchlass 13 aufweist, einen zwischen der Kopfplatte 9 und einer Bodenplatte 10 angeordneten, steuerbaren Piezo-Stapel 11, eine zwischen der Kopfplatte 9 und der Bodenplatte 10 angeordnete, zumindest den Piezo-Stapel 11 seitlich umgebende, dichte Umhüllung 14 und ein in einem Aktor-Innenraum 15 angeordnetes Übertragungsmittel 16 auf, welches zumindest eine Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitsdruck P2 aufweist.
Eine erste Kontaktvorrichtung 5 wird durch den ersten Gehäusedurchlass 4 und den ersten Kopfplattendurchlass 12 angeordnet.
Eine zweite Kontaktvorrichtung 7 wird durch den zweiten Gehäusedurchlass 6 und den zweiten Kopfplattendurchlass 13 angeordnet.
Der Gehäuseinnenraum 3 wird gegenüber einem Außenraum 18 mit einem vorbestimmten Außenraumdruck P3 mittels einer ersten Abdichtvorrichtung 17a, 17b abgedichtet, wobei die erste Abdichtvorrichtung 17a, 17b die Kontaktvorrichtungen 5, 7 im Bereich der Gehäusedurchlässe 4, 6 umgibt.
Der Aktor-Innenraum 15 wird gegenüber dem Gehäuseinnenraum 3 mittels einer zweiten Abdichtvorrichtung 19a, 19b abgedichtet, wobei die Abdichtvorrichtung 19a, 19b die Kontaktvorrichtungen 5, 7 im Bereich der Kopfplattendurchlässe 12, 13 umgibt.
Obwohl die vorliegenden Erfindung vorstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert. Beispielsweise kann der Piezo-Stapel zylindrisch oder auch quadratisch ausgebildet sein.
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.