DE102004024122A1 - Verfahren zur Stabilisierung insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors sowie Stapelaktor - Google Patents

Abstract

Bei der Herstellung eines piezoelektrischen Stapelaktors (10) tritt das Problem auf, dass sich dessen Ruhelänge (h) beim Betrieb in einem Kraftstoffinjektor unter den einwirkenden Lastbedingungen ändern kann, da sich die remanente Polarisierung des Stapelaktors (10) an die Lastbedingungen anpasst. Dadurch wird der physikalisch bedingte sehr geringe nutzbare Hub gegenüber dem Neuzustand noch weiter verringert. Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß ein Verfahren beziehungsweise ein Stapelaktor (10) vorgeschlagen, bei dem der Stapelaktor (10) während des Polarisierungsvorgangs durch eine Zusatzkraft (PZ) und bei erhöhter Temperatur belastet wird. Dabei werden die Parameter Zusatzkraft (PZ) und Temperatur so gewählt, dass sie den späteren Betriebsbedingungen nachgebildet sind, die beim Betrieb des Aktors in einem Kraftstoffinjektor in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor auftreten.

Description

• Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Stabilisierung, insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors, der aus einer Vielzahl von Piezokeramik-Schichten mit dazwischen angeordneten Metallelektroden aufgebaut ist, wobei während eines Polarisierungsvorgangs auf den Stapelaktor in axialer Richtung eine Druckkraft aufgebracht wird, beziehungsweise von einem Stapelaktor nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche 1 und 8. Beim Betrieb eines piezoelektrischen Stapelaktors, der zur Betätigung einer Ventileinheit in einem Kraftstoffinjektor (Einspritzventil) eingebaut ist, tritt das Problem auf, dass sich unter dem Einfluss des Lastkollektivs, beispielsweise der Temperatur, der zeitlich wechselnden Kraftbelastung während der Betätigung des Injektors sich die Ruhelänge gegenüber dem Neuzustand verändern kann. Da der nutzbare Hub des Stapelaktors ohnehin sehr klein ist und sich nur im Bereich von ca 40...80 μm bewegt, kann auch eine nur geringe Änderung der Ruhelänge, wie sie im Neuzustand vorgegeben ist, während der Betriebsdauer zu erheblichen Störeinflüssen auf das Schaltverhalten des Injektors führen. Die Änderung der Ruhelänge entsteht im wesentlichen durch eine Anpassung der remanenten Polarisierung des Stapelaktors an das auftretende Lastkollektiv, da sich zum Beispiel der Anteil der nicht in Feldrichtung ausgerichteten Domänen ändert.
• Bisher wurde versucht, das oben genannte Problem im Zuge des Herstellprozesses des Aktors mit verschiedenen Verfahren zu lösen, um eine dauerhaft konstante Ruhelänge des Aktors zu erhalten. Aus der DE 19756182A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Polarisieren von piezoelektrischen Bauelementen bekannt, bei dem während der Polarisierung an das Bauteil eine Druckspannung angelegt wird, die der verlängernden Wirkung des elektrischen Polarisationsfeldes entgegenwirkt. Die Druckspannung ist dabei größer als der statische Druck, der später beim Betrieb des Injektors auf das Bauelement einwirkt und wird durch eine Rohrfeder erzeugt. Die Rohrfeder ummantelt den Stapelaktor und drückt mit ihren Endflächen mit der eingestellten Druckkraft gegen die Endflächen des Stapelaktors. Die Druckspannung liegt dabei zwischen 10 bis 20 Mpa. Des weiteren ist das elektrische Polarisationsfeld größer als die Koerzitivfeldstärke für das Bauelement und liegt zwischen 2 und 2,5 KV/mm. Mit diesen Bedingungen soll ein stabiler Betrieb sowie eine Reduzierung von Polungsrissen erreicht werden.
• Aus der DE 10028335 A1 ist ein weiteres Verfahren zum Polarisieren einer Piezokeramik bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Vielzahl von aufeinander folgenden Gleichspannungsimpulsen verwendet, die dem späteren Betrieb der Piezokeramik im Kraftfahrzeug angepasst ist. Ferner wird die Polarisierung bei erhöhter Temperatur durchgeführt, wie sie auch im späteren Betrieb vorkommt. Dadurch sollen Setzeffekte des Stapelaktors im späteren Betrieb vermieden werden. Die Verwendung einer Druckkraft ist jedoch nicht vorgesehen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Stabilisierung eines piezoelektrischen Stapelaktor, insbesondere dessen Ruhelänge zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 8 gelöst.
• Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise der piezoelektrische Stapelaktor zur Stabilisierung insbesondere dessen Ruhelänge mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 8 hat demgegenüber den Vorteil, dass die Ruhelänge des Stapelaktors bereits im Neuzustand zuverlässiger eingeprägt werden kann, als dies mit den bisher bekannten Verfahren möglich ist. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass sich bei der Polarisation des Stapelaktors durch das Zusammenspiel von Temperatur und Zusatzkraft eine gleichmäßige remanente Polarisation und eine vergleichbare Ausrichtung der Domänen ausbildet, wie sie im späteren Betrieb auftritt. Durch Verwendung der späteren Betriebsbedingungen für die Polarisierung des Stapelaktors kann die Stabilität der Ruhelänge wesentlich besser eingehalten werden, als dies bei dem bekannten Stand der Technik bisher möglich ist.
• Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass die aufzubringende Zusatzkraft, die neben der ohnehin vorhandenen Druckkraft einer Rohrfeder auf den Stapelaktor einwirkt, sehr einfach durch experimentelle Untersuchungen ermittelt werden kann. Beispielsweise kann die Zusatzkraft so festgelegt werden, dass auch im späteren Dauerbetrieb mit den im Fahrzeug vorherrschenden mechanischen Belastungen mit einem Kraft-Zeit-Profil keine Änderung der Ruhelänge des Stapelaktors auftritt. Durch eine geeignete Wahl der Zusatzkraft kann somit eine zuverlässige Langzeitprognose für das Schaltverhalten eines Injektors angegeben werden, in dem der Stapelaktor eingebaut ist.
• Bei experimentellen Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass die besten Ergebnisse bei einer einzustellenden Zusatzkraft von 300N bis 800N erzielt werden können.
• Eine günstige Lösung wird auch darin gesehen, die Temperatur so zu wählen, dass sie der Betriebstemperatur entspricht, die sich im Injektor im Mittel nach längerer Betriebsdauer einstellt. Durch die Kühlwassertemperatur und die eigene Verlustleistung kann in Abhängigkeit von der Motorbelastung der Temperaturbereich zwischen 80°C und 150°C liegen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Temperatur während der Polarisierungsphase beispielsweise auf 90°C festzulegen.
• Die Stabilisierung des Stapelaktors wird auch dadurch begünstigt, dass während der Polarisation eine niederfrequente e lektrische Spannungsänderung verwendet wird. Es hat sich gezeigt, dass beim Polen die Frequenz der elektrischen Spannung maximal 10 Hz betragen sollte, da eine niedrige Frequenz die dauerhafte Ausrichtung der Domänen begünstigt. Zudem ist bei höheren Frequenzen ein größerer technischer Aufwand erforderlich, um die Rückwirkung des Aktorhubes auf die Zusatzkraft klein zu halten.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
• 1 zeigt in schematische Darstellung einen Stapelaktor und
• 2 zeigt ein Diagramm mit einer elektrischen Spannung zur Polarisierung des Stapelaktors.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst an Hand von 1 der Aufbau eines Stapelaktors näher erläutert. Die Darstellung gemäß 1 zeigt in dreidimensionaler Darstellung einen Stapelaktor 10, der aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten, beispielsweise aus mehreren hundert Piezo-Keramikschichten 11 gebildet ist. Zwischen den einzelnen Piezo-Keramikschichten 11 sind Metallelektroden 12 angeordnet. Die Metallelektroden 12 weisen an zwei gegenüberliegenden Ecken in abwechselnder Folge Aussparungen 13 auf, so dass nur jede zweite Metallelektrode 12 mit einer der beiden vertikal verlaufenen Metallisierungsbahnen 14 verbunden werden kann. An die beiden Metallisierungsbahnen 14 wird an Anschlüssen +,– eine elektrische Spannung zum Polarisieren der Domänen der Piezo-Keramikschichten 11 angeschlossen. Der Pfeil A zeigt die Richtung an, in die sich der Stapelaktor 10 beim Anlegen der Spannung U verlängert. Der Pfeil B gibt den Bereich 13 ohne Metallelektroden 12 an. Hier können bei der Polarisierung wegen der auftretenden Zugspannungen Polungsrisse auftreten. Die Ruhelänge des Stapelaktors 10 ist mit h angegeben. PZ ist eine nur während der Polarisierung wirkende Zusatzkraft.
• Üblicherweise ist der Stapelaktor 10 mit einer Rohrfeder ummantelt, die in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen wurde. Die beiden Endflächen der Rohrfeder werden dabei so auf die beiden Endflächen des Stapelaktors aufgelegt, dass die Rohrfeder nach der Montage mit einer vorgegebenen Druckkraft gegen den Stapelaktor drückt. Die Druckkraft wirkt der verlängernden Ausdehnungskraft des Stapelaktors 10 entsprechend der Pfeilrichtung A entgegen, ohne sie jedoch zu behindern, wenn eine Spannung U angelegt wird. Wird die Spannung U abgeschaltet, dann bewirkt die Druckkraft der Rohrfeder, dass der Stapelaktor 10 wieder in seine ursprüngliche Ruhelänge h zurückkehrt.
• Beim Polarisieren (Polen) sollen sich die einzelnen Domänen der Piezo-Keramikschichten 11 mehrheitlich so ausrichten, dass beim späteren Arbeitseinsatz beim Anlegen der Spannung U an den Stapelaktor (Aktor) ein nutzbarer Hub entsteht, der zum Steuern beispielsweise einer Ventileinheit in einem Kraftstoffinjektor genutzt werden kann. Zum Steuern des Kraftstoffinjektors werden, insbesondere bei der Mehrfacheinspritzung, in der Regel mehrere sehr kurze Gleichspannungspulse für einen Einspritzzyklus verwendet, um eine optimierte Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemisches zu erreichen. Derartige Injektoren werden in einem Hochdruckeinspritzsystem zur Einspritzung von Benzin oder Diesel eingesetzt.
• In 2 ist in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Spannungsdiagramm dargestellt, mit dem die Polarisierung des Stapelaktors 10 unter zusätzlicher Verwendung der zuvor genannten Betriebsbedingungen Zusatzkraft PZ und erhöhte Temperatur durchgeführt werden kann, um die Ruhelänge h des Stapelaktors 10 einzuprägen. Die Wertebereiche für die Betriebsbedingungen sind die gleichen, wie sie zuvor beschrieben wurden.
• Zum Polarisieren wird eine in den positiven Bereich verschobene Sinusspannung U verwendet. Beispielsweise werden 45 Spannungspulse U verwendet, wobei die Amplituden der einzelnen Spannungspulse U ebenso wie die Pulsform und die Periodendauer konstant ist. Lediglich beim ersten Spannungspuls ist die ansteigende Flanke flacher ausgebildet und verläuft im oberen Bereich noch flacher. Damit wird eine einfache Begrenzung für den Polungsstrom erreicht, um insbesondere Überschläge zu vermeiden.
• In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, auch andere Pulsformen für die Spannung U zu verwenden und deren Anzahl zu ändern.

Claims (8)

1. Verfahren zur Stabilisierung, insbesondere der Ruhelänge eines piezoelektrischen Stapelaktors (10), der aus einer Vielzahl von Piezokeramik-Schichten (11) mit dazwischen angeordneten Metallelektroden (12) aufgebaut ist, wobei während eines Polarisierungsvorgangs mit einer angelegten Spannung (U) auf den Stapelaktor (10) in axialer Richtung eine Druckkraft aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkraft als Zusatzkraft (PZ) ausgebildet ist, die zusätzlich zur Druckkraft einer Rohrfeder auf den Stapelaktor (10) wirkt, dass als weiterer Parameter der Stapelaktor (10) während des Polarisierungsvorgangs mit einer Temperatur beaufschlagt wird und dass die Parameter Zusatzkraft (PZ) und Temperatur so gewählt werden, dass sie den späteren Betriebsbedingungen nachgebildet sind, die beim Betrieb des Aktors (10) in einem Kraftstoffinjektor in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor auftreten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkraft (PZ) experimentell ermittelt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkraft (PZ) im Bereich 300N bis 800 N liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur so gewählt wird, das sie nach längerer Betriebszeit einem sich einstellenden Mittel entspricht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich 80 bis 150°C gewählt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich um 90°C liegt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Polarisation eine niederfrequente Spannung (U), vorzugsweise f<=10 Hz verwendet wird.
8. Stapelaktor (10), hergestellt nach einem Verfahren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung in einem Kraftstoffinjektor, insbesondere für die Diesel- oder Benzineinspritzung.