DE102005046429A1 - Fuel injection valve for internal combustion engine of motor vehicle, has needle and actuator with number of layers that are formed as individual film and have thickness of specific range - Google Patents

Fuel injection valve for internal combustion engine of motor vehicle, has needle and actuator with number of layers that are formed as individual film and have thickness of specific range Download PDF

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Georg Hejtmann
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Manfred Klein
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Abstract

The valve has a needle (3) that is actuated using a piezo-ceramic multi-layer actuator (2) cooperates with a valve closure body (4). The valve closure body forms a sealing seat (6) with a valve seat body (5). The actuator has a number of layers (7) that are formed as individual film. The thickness of the piezo-ceramic layers range between 120 micrometer and 500 micrometer. The films are made of ceramic green film of poly vinyl butyral base and of lead zirconate titanate that is doped with strontium, calcium and niobium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.The The invention relates to a fuel injection valve with a piezoceramic Multilayer actuator according to the preamble of claim 1 further defined Art.

Brennstoffeinspritzventile mit piezokeramischen Vielschichtaktoren sind beispielsweise durch die DE 35 33 085 A1 oder die WO 03/05482 A1 bekannt. Zur Zumessung von Brennstoff für Brennkraftmaschinen offenbaren diese Druckschriften jeweils ein Brennstoffeinspritzventil, bei welchem eine Ventilnadel mittels eines piezokeramischen Vielschichtaktors betätigbar ausgestaltet ist. Durch das Anlegen einer Spannung an den Vielschichtaktor kann dieser sich in der Länge verändern, um die Ventilnadel zu betätigen. Damit wird ein Sitz des Ventils geöffnet, durch welchen der Brennstoff aus dem Ventil in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.Fuel injection valves with piezoceramic multilayer actuators are, for example, by the DE 35 33 085 A1 or WO 03/05482 A1. For the metering of fuel for internal combustion engines, these documents each disclose a fuel injection valve in which a valve needle is designed to be actuatable by means of a piezoceramic multilayer actuator. By applying a voltage to the multilayer actuator, it can change in length to actuate the valve needle. Thus, a seat of the valve is opened, through which the fuel from the valve is injected into a combustion chamber of an internal combustion engine.

Der Einsatz von piezoelektrischen Aktoren, mittels denen elektrische Energie in mechanische Energie umsetzbar ist, ermöglichen eine genaue Ansteuerung von Brennstoffeinspritzventilen und somit eine effiziente und saubere Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkraftmaschine.Of the Use of piezoelectric actuators, by means of which electrical Energy in mechanical energy is feasible, allow a precise control of fuel injection valves and thus a efficient and clean combustion of the fuel in the internal combustion engine.

In der Praxis werden piezokeramische Vielschichtaktoren mit einer mit einer elektrischen Spannung zwischen 100 V und 200 V beaufschlagt, womit sich je nach Länge des Aktors eine Dehnung in einer Größenordnung zwischen 30 μm und 100 μm ergibt, welche im Zusammenwirken mit einer mechanischen oder hydraulischen Kopplung zur Betätigung des Ventils genutzt wird.In In practice, piezoceramic multilayer actuators with a an electrical voltage between 100 V and 200 V is applied, which depending on the length of the actuator results in an elongation of the order of magnitude between 30 .mu.m and 100 .mu.m, which in cooperation with a mechanical or hydraulic coupling for operation the valve is used.

Die Auslegung von Brennstoffeinspritzventilen erfolgt üblicherweise derart, dass bei einer hohen Taktung des Ventils von ca. 30 Einspritzungen pro Sekunde während der Lebensdauer eines Fahrzeuges ca. 1 Milliarde Betätigungszyklen erreicht werden, welche sich in einzelne Einspritzabschnitte wie Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung unterteilen lassen.The Design of fuel injection valves usually takes place such that at a high timing of the valve of about 30 injections per second during the lifetime of a vehicle approx. 1 billion operating cycles can be achieved, which are divided into individual injection sections such as pre-, Divide main and post-injection.

Derzeit werden in der Praxis bei Brennstoffeinspritzventilen Vielschichtaktoren mit möglichst dünnen piezokeramischen Schichten eingesetzt, deren Dicke jeweils 60 μm bis 80 μm, gelegentlich bis zu 100 μm, beträgt. Da die Dehnung des piezokeramischen Vielschichtaktors von der angelegten elektri schen Feldstärke abhängt und angelegte Felder in der Größenordnung von 2 kV/mm für eine Anwendung in einem Brennstoffeinspritzventil eine akzeptabel hohe Dehnung bewirken, reichen bei den verwendeten geringen Schichtdicken Ansteuerspannungen von bis zu 200 V aus, welche in einem Steuergerät mit herkömmlichen elektronischen Bauteilen relativ kostengünstig realisiert werden kann.Currently become in practice in fuel injection valves multilayer actuators with as possible thin piezoceramic layers used, the thickness of each 60 microns to 80 microns, occasionally up to 100 μm, is. Since the elongation of the piezoceramic multilayer actuator of the applied electrical field strength depends and created fields of the order of magnitude of 2 kV / mm for an application in a fuel injector is acceptable high elongation, are sufficient for the low layer thicknesses used Ansteuerspannungen of up to 200 V, which in a control unit with conventional electronic components can be realized relatively inexpensively.

Problematisch ist jedoch hierbei, dass die elektrische Kapazität der Vielschichtaktoren sehr hoch ist und somit beim Betrieb des Vielschichtaktors durch die elektronische Steuereinheit beim Entladen und Laden des Vielschichtaktors hohe Ladungsmengen verschoben werden müssen. Die dadurch verursachten hohen Umladeströme führen zu hohen elektrischen Verlusten in der elektronischen Steuereinheit. Dies bewirkt einen hohen Energiebedarf aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und führt zu einer starken Wärmeentwicklung innerhalb des Steuergerätes. Durch diese hohe Wärmeentwicklung ist der Kühlungsbedarf entsprechend hoch, und die Anforderungen an die Dimensionierung der elektrischen Schaltung steigen ebenfalls.Problematic However, here is that the electrical capacity of the multilayer actuators very high is and thus in the operation of the multilayer actuator by the electronic Control unit when unloading and loading the multi-layer actuator high Charge quantities must be moved. The thereby caused high transhipment currents to lead high electrical losses in the electronic control unit. This causes a high energy demand from the electrical system of the motor vehicle and leads to a strong heat development within the control unit. Due to this high heat development is the cooling demand correspondingly high, and the sizing requirements the electrical circuit also rise.

Berücksichtigt man weiterhin die zukünftig zu erwartende erhöhte Anzahl von Ansteuerungen des Aktors pro Zyklus, also Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitstakt der Brennkraftmaschine bzw. pro Zeiteinheit, um den Verbrennungsablauf weiterhin zu optimieren und das Bestreben nach mehr Motorleistung und Laufruhe der Brennkraftmaschine, was typischer Weise durch eine erhöhte Zylinderanzahl und höhere Motordrehzahlen erreicht wird, so erkennt man, dass die derzeitig verwendete Steuerelektronik von solchen Anforderungen insbesondere hinsichtlich der dadurch verursachten Wärmeentwicklung überlastet wäre und den Anforderungen nicht mehr gerecht werden könnte.Considered you continue to do that in the future expected to increase Number of activations of the actuator per cycle, ie number of Injections per working cycle of the internal combustion engine or per unit time, to further optimize the combustion process and endeavor after more engine power and smoothness of the engine, what typically increased by a Number of cylinders and higher engine speeds is reached, it can be seen that the currently used control electronics of such requirements, especially with regard to it caused heat generation would be overloaded and the Requirements could no longer meet.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil weist einen Vielschichtaktor mit gegenüber gängigen Vielschichtaktoren erhöhter Schichtdicke und somit reduzierter Schichtanzahl auf.The Fuel injection valve according to the invention has a multilayer actuator with over conventional multilayer actuators increased layer thickness and thus reduced number of layers on.

Vorteilhaft können die Schichten auf Folienbasis herstellbar sein, wie beispielsweise durch sogenannte Grünfolien, womit sich ein vereinfachtes Herstellungsverfahren ergibt.Advantageous can the layers can be produced on a film basis, such as for example by so-called green films, thus resulting in a simplified manufacturing process.

Mit der erfindungsgemäßen Gestaltung eines Brennstoffeinspritzventils wird erreicht, dass die elektrische Kapazität und somit die Ladungsmengen, die von dem elektronischen Steuergerät zur Ansteuerung des Brennstoffeinspritzventils verschoben werden müssen, deutlich reduziert sind.With the design of the invention a fuel injection valve is achieved that the electric capacity and thus the amounts of charge from the electronic control unit for driving the fuel injection valve must be moved clearly are reduced.

Weiterhin ist dabei vorteilhaft, dass der Aufwand beim Stapeln der einzelnen Schichten bzw. Folien reduziert ist, da eine geringere Menge an Schichten benötigt werden, um einen gleich großen Schichtstapel aufzubauen. Dies hat auch einen Zeitgewinn bei der Herstellung zum Vorteil.Furthermore, it is advantageous that the cost of stacking the individual layers or films is reduced, since a smaller amount of layers are needed to a same size layer stack up. This also has a time advantage in the production to the advantage.

Weiterhin ist von Vorteil, dass die Schichten oder Folien durch ihre größere Dicke besser handhabbar sind und gegenüber mechanischen Beschädigungen oder Rissen weniger anfällig sind.Farther It is advantageous that the layers or foils by their greater thickness are better manageable and opposite mechanical damage or cracks less vulnerable are.

Gleichzeitig wird die Anzahl der Grenzflächen reduziert, da die Anzahl der Schichten reduziert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der mechanischen Schwachstellen reduziert wird und die Anzahl der Grenzflächen zwischen Keramikschichten und Elektroden reduziert ist. Beispielsweise können Risse entlang der Grenzflächen in Richtung benachbarter Elektroden entstehen und wachsen, was zu Durchschlägen führen kann. Durch die erhöhte Schichtdicke würde eine Schädigung bei gleicher Risskinetik erst später auftreten.simultaneously will be the number of interfaces reduced as the number of layers is reduced. this has the advantage that reduces the number of mechanical vulnerabilities is and the number of interfaces between ceramic layers and electrodes is reduced. For example can Cracks along the interfaces towards neighboring electrodes arise and grow, causing punches to lead can. Due to the increased layer thickness would one damage at the same crack kinetics later occur.

Durch die höhere Schichtdicke kann auch die Anzahl der Innenelektroden reduziert sein. Dadurch kann dazu verwendetes Material, wie zum Beispiel Pasten oder ähnliches, eingespart werden, was vorteilhaft im Hinblick auf die Kosten ist.By the higher one Layer thickness can also reduce the number of internal electrodes be. As a result, used material, such as pastes or similar, be saved, which is advantageous in terms of cost.

Weiterhin kann bei erhöhter Schichtdicke eine erhöhte absolute Schichtdickenschwankung akzeptabel sein, so dass unter anderem bei keramischen Folien vereinfachte und kostengünstigere Formgebungsverfahren zu deren Herstellung verwendbar sind.Farther can at elevated Layer thickness increased absolute layer thickness variation be acceptable, so that under other simplified in ceramic films and cheaper molding processes are usable for their production.

Auch kann die Reduzierung ohmscher Übergänge im Vielschichtaktor vorliegen, wie beispielsweise an Kontaktpunkten der Grundmetallisierung zu Innenelektroden, was zu einer reduzierten Verlustleistung führt.Also can reduce ohmic transitions in the multilayer actuator present, such as at contact points of the base metallization to internal electrodes, which leads to a reduced power loss.

Des Weiteren hat es sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Schichtdicke bedingt durch geringe Lade- und Entladeströme magnetische Störfelder positiv beeinflusst.Of Furthermore, it has been found that a layer thickness according to the invention due to low charge and discharge currents magnetic interference positive affected.

Insgesamt führt eine erfindungsgemäße Schichtdicke der piezokeramischen Schichten eines Vielschichtaktors bei einer Reduzierung der Anzahl der Schichten zu einer geringeren Verlustleistung in der elektronischen Steuereinheit der Ansteuerelektronik. Dadurch ist es möglich, elektronische Schaltungen kleiner zu dimensionieren und somit auch kostengünstiger zu gestalten. Alternativ besteht die Möglichkeit, bei herkömmlicher Dimensionierung die Leistungsfähigkeit zu steigern, so dass eine erhöhte Anzahl von Einspritzvorgängen ansteuerbar ist oder eine erhöhte Motordrehzahl realisierbar ist.All in all leads one layer thickness according to the invention the piezoceramic layers of a multilayer actuator in a Reduction of the number of layers to a lower power loss in the electronic control unit of the control electronics. Thereby Is it possible, to dimension electronic circuits smaller and therefore cheaper to design. Alternatively, there is the possibility of conventional Sizing the performance increase, so an increased number of injection operations is taxable or an increased Engine speed is feasible.

Es hat sich dabei entgegen herrschender Meinung in Versuchen gezeigt, dass Ansteuerspannungen über 200 V, beispielsweise in einem Bereich bis 300 V, problemlos mit herkömmlichen kostengünstigen Bauelementen realisierbar sind.It contrary to prevailing opinion has shown in experiments that drive voltages over 200 V, for example in a range up to 300 V, easily with usual inexpensive Components are realized.

Bei Anwendung neuerer elektronischer Bauelemente kann das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil somit auch auf Ansteuerspannungen bis 1000 V ausgelegt sein.at Application of newer electronic components, the fuel injection valve according to the invention thus also be designed for drive voltages up to 1000 V.

In Versuchen wurde des Weiteren mit erfindungsgemäßen Schichtdicken eine Erhöhung der Aktordehnung beobachtet, wobei jedoch je nach Auslegung auch eine Verkürzung des Aktors möglich ist. Des Weiteren waren vorteilhafterweise eine auf eine günstigere Verteilung des elektrischen Feldes am äußeren Rand zurückzuführende Krafterhöhung und verbesserte Degradationseigenschaften zu verzeichnen.In Furthermore, attempts were made with layer thicknesses according to the invention to increase the actuator strain However, depending on the interpretation, a shortening of the Actors is possible. Furthermore, were advantageously on a cheaper Distribution of the electric field due to the outer edge force increase and improved degradation properties.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further Advantages and advantageous embodiments of the subject to The invention are the description, the drawings and the claims removed.

Zeichnungdrawing

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffeinspritzventils ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenOne preferred embodiment an inventively designed Fuel injection valve is shown schematically simplified in the drawing and will be explained in more detail in the following description. Show it

1 eine schematisierte Darstellung eines Brennstoffeinspritzventils mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor; 1 a schematic representation of a fuel injection valve with a piezoceramic multilayer actuator;

2 eine vergleichende Darstellung der maximalen Ladungsmenge für Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke und doppelter Schichtdicke; 2 a comparative representation of the maximum charge amount for multilayer actuators with conventional layer thickness and double layer thickness;

3 eine vergleichende Darstellung des dynamischen Aktorhubs für Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke bei 100 V und doppelter Schichtdicke bei 200 V; 3 a comparative representation of the dynamic Aktorhubs for multilayer actuators with conventional layer thickness at 100 V and double layer thickness at 200 V;

4 eine vergleichende Darstellung des dynamischen Aktorhubs für Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke bei 192 V und doppelter Schichtdicke bei 374 V; und 4 a comparative representation of the dynamic Aktorhubs for multilayer actuators with conventional layer thickness at 192 V and double layer thickness at 374 V; and

5a und 5b Messkurven des dynamischen Hubs; 5a and 5b Measuring curves of the dynamic hub;

6a und 6b Messkurven des dynamischen Hubs und der maximalen Ladung; und 6a and 6b Traces of dynamic stroke and maximum charge; and

7a und 7b Messkurven des dynamischen Hubs und der maximalen Ladung. 7a and 7b Traces of the dynamic stroke and the maximum charge.

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

Die 1 zeigt schematisch ein Brennstoffeinspritzventil 1 insbesondere für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist dazu mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor 2 ausgestattet. Der piezokeramische Vielschichtaktor 2 betätigt bei einer Dehnung des Vielschichtaktors eine Ventilnadel 3, welche mit einem Ventilschließkörper 4 zusammenwirkt, wobei der Ventilschließkörper mit einem Ventilsitzkörper 5 einen Dichtsitz 6 bildet.The 1 schematically shows a fuel injection valve 1 in particular for an injection system of an internal combustion engine of motor vehicles for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine. The fuel injector 1 is for this purpose with a piezoceramic multilayer actuator 2 fitted. The piezoceramic multilayer actuator 2 actuates a valve needle when the multilayer actuator expands 3 , which with a valve closing body 4 cooperates, wherein the valve closing body with a valve seat body 5 a sealing seat 6 forms.

Der Vielschichtaktor 2 weist dabei eine Anzahl von Schichten 7 von piezokeramischem Material auf. An die Schichten kann mittels einer Steuereinheit, wie Steuerelektronik, eine elektrische Spannung angelegt werden, die eine Dehnung des Vielschichtaktors 2 bewirkt.The multilayer actuator 2 has a number of layers 7 of piezoceramic material. To the layers can be applied by means of a control unit, such as control electronics, an electrical voltage which is an elongation of the multilayer actuator 2 causes.

Durch die Dehnung des piezokeramischen Vielschichtaktors 2 wird die Ventilnadel 3 direkt oder indirekt beaufschlagt, so dass sie sich in axialer Richtung verlagert und der Ventilschließkörper 4 von dem Ventilsitzkörper 5 abhebt und ein unter Hochdruck stehender Brennstoff durch einen Spalt zwischen dem Ventilschließkörper 4 und dem Ventilsitzkörper 5 ausströmen kann.By stretching the piezoceramic multilayer actuator 2 becomes the valve needle 3 acted directly or indirectly, so that it moves in the axial direction and the valve closing body 4 from the valve seat body 5 lifts off and a fuel under high pressure through a gap between the valve closing body 4 and the valve seat body 5 can flow out.

Vorzugsweise ist das Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß einer Bauart ausgeführt, welche in der WO 03/05482 A1 näher beschriebenen ist, deren Inhalt ausdrücklich dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Unterlagen zugehörig ist.Preferably, the fuel injection valve 1 executed according to a type which is described in more detail in WO 03/05482 A1, the content of which is expressly associated with the disclosure of the present documents.

Erfindungsgemäß ist der piezokeramische Vielschichtaktor 2 gebildet durch eine Vielzahl von keramischen Schichten 7, die zwischen sich Elektroden aufweisen, die der Spannungsbeaufschlagung dienen. Weiterhin kann auf zumindest einer der beiden Endseiten oder an beiden Endseiten des Vielschichtaktors eine Reihe von piezokeramischen Schichten angeordnet sein, die ohne zwischengeschaltete Elektrodenschichten angeordnet sind.According to the invention, the piezoceramic multilayer actuator 2 formed by a variety of ceramic layers 7 having between them electrodes which serve the voltage application. Furthermore, a series of piezoceramic layers, which are arranged without interposed electrode layers, can be arranged on at least one of the two end sides or on both end sides of the multilayer actuator.

Die Schichten 7 des piezokeramischen Vielschichtaktors 2 sind erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten 7 zwischen 120 μm und 500 μm beträgt.The layers 7 of the piezoceramic multilayer actuator 2 are inventively designed such that the layer thickness of the piezoceramic layers 7 between 120 μm and 500 μm.

Wenn die Schichtdicke annähernd 120 μm beträgt und somit gegenüber konventionellen piezokeramischen Schichten etwa um einen Faktor 1,5 stärker ist, ist eine Ansteuerung des Vielschichtaktors 2 mit bis zu 300 V und Standardbauteilen und somit ohne größere Eingriffe in die herkömmliche Steuergerätearchitektur möglich. Gleichzeitig ist die Dehnung des Ak tors vergleichbar, da die elektrische Feldstärke der elektrischen Felder etwa vergleichbar ist.If the layer thickness is approximately 120 μm and thus is about 1.5 times stronger than conventional piezoceramic layers, then the multilayer actuator is activated 2 with up to 300 V and standard components and thus without major intervention in the conventional ECU architecture possible. At the same time, the elongation of the Ak sector is comparable, since the electric field strength of the electric fields is approximately comparable.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel kann die Schichtdicke annähernd 160 μm bis 190 μm und somit das Doppelte herkömmlicher Schichten betragen, wenn die verwendeten Komponenten für höhere Ansteuerspannungen ausgelegt sind.at a further embodiment of the invention can approximate the layer thickness 160 μm up 190 μm and thus twice the conventional Layers amount if the components used for higher drive voltages are designed.

Mit entsprechenden Hochleistungskomponenten sind bei weiteren Ausführungsbeispielen auch Schichtdicken größer als 250 μm bis hin zu fertigungstechnisch noch ohne größere Probleme realisierbaren 500 μm möglich.With corresponding high performance components are in other embodiments as well Layer thicknesses greater than 250 μm up towards manufacturing technology even without major problems feasible 500 μm possible.

Ausgehend von einer Verdoppelung der Schichtdicke der piezokeramischen Schichten 7 des Vielschichtaktors 2 erniedrigt sich die elektrische Kapazität des Aktors auf ein Viertel und sorgt somit für eine entsprechend geringere Verlustleistung im Steuergerät.Starting from a doubling of the layer thickness of the piezoceramic layers 7 of the multilayer actuator 2 the electrical capacity of the actuator is reduced to a quarter and thus ensures a correspondingly lower power loss in the control unit.

Die elektrische Kapazität C des Aktors ergibt sich zu C = ε0·εr·A·1/d·nmit der Schichtdicke d
und n der Anzahl der Schichten.The electrical capacitance C of the actuator results to C = ε 0 · ε r · A · 1 / d · n with the layer thickness d
and n the number of layers.

Wird somit die Anzahl n der Schichten halbiert und gleichzeitig die Schichtdicke d verdoppelt, so wird die Kapazität um drei Viertel reduziert. Da das elektrische Feld für gleiche Dehnung gleich sein sollte, sollte die Spannung entsprechend verdoppelt werden.Becomes thus halving the number n of layers and simultaneously the layer thickness d doubled, the capacity is reduced by three quarters. As the electric field for same elongation should be equal, the tension should be appropriate be doubled.

Gemäß den Beziehungen Q = U·C U = E·d Q = E·ε0·εr·A·nmit der Ladungsmenge Q, der Spannung U, der Kapazität C, der elektrischen Feldstärke E und der Schichtdicke d der Keramik ergibt sich daher eine Halbierung der fließenden Ladungsmenge bei Verdoppelung der Schichtdicke und Halbierung der Schichtanzahl, d. h. wenn für n/2 für n steht.According to the relations Q = U · C U = E · d Q = E · ε 0 · ε r ·At With the charge quantity Q, the voltage U, the capacitance C, the electric field strength E and the layer thickness d of the ceramic, there is therefore a halving of the amount of flowing charge when doubling the layer thickness and halving the number of layers, ie if n / 2 stands for n.

In den 2 bis 7b sind Ergebnisse von Vergleichsuntersuchungen von keramischen Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke und verdoppelter Schichtdicke, aber halber Schichtanzahl dargestellt.In the 2 to 7b results of comparative investigations of ceramic multilayer actuators with conventional layer thickness and doubled layer thickness, but half the number of layers are shown.

Dabei werden vier Vielschichtaktoren P1 bis P4 mit konventioneller Schichtdicke 90 μm mit sechs Vielschichtaktoren P4 bis P10 mit verdoppelter Schichtdicke 180 μm verglichen.Thereby four multilayer actuators P1 bis P4 with conventional layer thickness 90 μm compared with six multilayer actuators P4 to P10 with doubled layer thickness 180 μm.

Zur Herstellung der oben genannten für die Vergleichsmessungen verwendeten Vielschichtaktoren P1 bis P10 wurden auf der Basis eines mit Sr, K und Nb dotierten Bleizirkonattitanat(PZT)-Keramikpulvers nach an sich bekannten Formgebungs verfahren keramische Grünfolien auf Polyvinylbutyral (PVB)-Basis gegossen, wobei die einzelne Schichten im Grünzustand eine Dicke von etwa 110 μm aufweisen. Die Folien wurden nach einem Trocknungs- und Konfektionierungsvorgang teilweise metallisch bedruckt, wie vorliegend mit einer AgPd-(70/30)Paste.to Production of the above for the comparison measurements used multilayer actuators P1 to P10 were based on a lead zirconate titanate (PZT) ceramic powder doped with Sr, K and Nb according to known shaping method ceramic green sheets based on polyvinyl butyral (PVB) poured, wherein the individual layers in the green state has a thickness of about 110 microns. The films were after a drying and confectioning process printed partially metallic, as in the present case with an AgPd (70/30) paste.

Für die Innenelektroden wurde jeweils ein halbrundes Design verwendet, so dass sich eine Schichtdicke von 3 bis 4 μm für die getrockneten Elektroden ergab.For the internal electrodes each half-round design was used, so that a layer thickness from 3 to 4 μm for the dried electrodes.

Nach dem Entbinden und Sintern der Vielschichtaktoren ergab sich für die Folien eine Dicke von 90 μm. Der gesinterte Standard-Vielschichtaktor setzt sich dabei aus 10 Blanco-Lagen, d. h. ohne Elektrodenschicht, an beiden Enden, 44 inaktiven Lagen und 270 aktiven Lagen zusammen.To the debinding and sintering of the multilayer actuators resulted for the films a thickness of 90 microns. The sintered standard multilayer actuator is made of 10 Blanco layers, d. H. without electrode layer, at both ends, 44 inactive layers and 270 active positions together.

Bei den Schichten mit doppelter Dicke wurden zwei Folien aufeinander gelegt, so dass sie nach dem Sintern eine Schichtdicke von 180 μm aufweisen.at the double thickness layers became two sheets on each other placed so that they have a layer thickness of 180 microns after sintering.

Die 2 zeigt einen Vergleich der maximalen Ladungsmenge Q_max nach 106 Lastwechseln für die verschiedenen Vielschichtaktoren P1 bis P10, wobei auf der linken Seite die vier Aktoren P1 bis P4 mit einer Schichtdicke von 90 μm dargestellt sind, die bei einer maximalen Spannung U_max von 100 V betrieben sind, und wobei auf der rechten Seite die sechs Aktoren P5 bis P10 mit einer Schichtdicke von 180 μm dargestellt sind, die bei einer maximalen Spannung U_max von 200 V betrieben sind. Dabei zeigt sich, dass die maximale Ladung Q_max der Aktoren P1 bis P4 mit konventioneller Schichtdicke von 90 μm im Mittel ca. 310 μC beträgt und die maximale Ladung Q_max der Aktoren P5 bis P10 mit erfindungsgemäß erhöhter, verdoppelter Schichtdicke von 180 μm im Mittel ca. 162 μC beträgt. Die Reduzierung der mittleren Ladung beträgt somit ca. 48%.The 2 shows a comparison of the maximum charge amount Q_max after 10 6 load changes for the various multilayer actuators P1 to P10, on the left side of the four actuators P1 to P4 are shown with a layer thickness of 90 microns, which are operated at a maximum voltage U_max of 100V , and on the right side of the six actuators P5 to P10 are shown with a layer thickness of 180 microns, which are operated at a maximum voltage U_max of 200 V. It can be seen that the maximum charge Q_max of the actuators P1 to P4 with a conventional layer thickness of 90 μm is on average about 310 μC and the maximum charge Q_max of the actuators P5 to P10 with an inventively increased, doubled layer thickness of 180 μm on average ca. 162 μC. The reduction of the average charge is thus approx. 48%.

Die 3 zeigt in einer vergleichenden Darstellung einen dynamischen Aktorhub H_dyn für die Vielschichtaktoren P1 bis P4 mit konventioneller Schichtdicke bei 100 V und für die Aktoren P5 bis P10 mit der doppelten Schichtdicke bei 200 V. Deutlich zu erkennen ist, dass der mittlere dynamische Aktorhub mit erfinderisch erhöhter doppelter Schichtdicke größer ist als bei konventioneller Schichtdicke. Der mittlere Aktorhub H_dyn bei konventioneller Schichtdicke beträgt 15,65 μm, wobei der dynamische Aktorhub H_dyn für die Aktoren P5 bis P10 mit doppelter Schichtdicke 18,6 μm im Mittel beträgt. Die Erhöhung des mittleren Aktorhubs beträgt somit ca. 19%.The 3 shows in a comparative representation of a dynamic Aktorhub H_dyn for the multilayer actuators P1 to P4 with conventional layer thickness at 100 V and for the actuators P5 to P10 with the double layer thickness at 200 V. It can be clearly seen that the average dynamic Aktorhub inventively increased double Layer thickness is greater than conventional layer thickness. The average Aktorhub H_dyn at conventional layer thickness is 15.65 microns, the dynamic Aktorhub H_dyn for the actuators P5 to P10 with double layer thickness is 18.6 microns on average. The increase in the average Aktorhubs is thus about 19%.

Die 4 zeigt eine vergleichende Darstellung des dynamischen Aktorhubs H_dyn für die Vielschichtaktoren P1 bis P4 mit konventioneller Schichtdicke bei 192 V und doppelter Schichtdicke bei 374 V. Dabei ist der mittlere dynamische Aktorhub H_dyn bei erfindungsgemäß doppelter Schichtdicke größer als bei Aktoren mit konventioneller Schichtdicke. Der mittlere dynamische Aktorhub H_dyn für Aktoren mit konventio neller Schichtdicke beträgt 35,52 μm, während der dynamische Aktorhub für Aktoren mit doppelter Schichtdicke 39,72 μm beträgt. Die Erhöhung des mittleren dynamischen Aktorhubs beträgt somit ca. 12%.The 4 shows a comparative representation of the dynamic Aktorhubs H_dyn for the multilayer actuators P1 to P4 with conventional layer thickness at 192 V and twice the layer thickness at 374 V. Here, the average dynamic Aktorhub H_dyn according to the invention with double layer thickness is greater than in actuators with conventional layer thickness. The average dynamic actuator stroke H_dyn for actuators with conventional layer thickness is 35.52 μm, while the dynamic actuator stroke for actuators with double layer thickness is 39.72 μm. The increase of the average dynamic Aktorhubs is thus about 12%.

Die 5a und 5b zeigen Messkurven des dynamischen Aktorhubs H_dyn als Funktion der Zeit t bei einer Ansteuerung von 2,175 kV/mm elektrischem Feld, wobei für die Messungen der 5a Schichten mit konventioneller Schichtdicke von 90 μm verwendet wurden und für die Messungen der 5b Schichten mit erfindungsgemäß doppelter Schichtdicke von 180 μm und halber Schichtanzahl verwendet wurden. Die in den 5a und 5b dargestellten Werte entsprechen den in der 4 aufgetragenen Werten des dynamischen Aktorhubs H_dyn.The 5a and 5b show measured curves of the dynamic actuator stroke H_dyn as a function of the time t with a control of 2.175 kV / mm electric field, whereby the measurements of the 5a Layers with a conventional layer thickness of 90 μm were used and for the measurements of the 5b Layers were inventively used with double layer thickness of 180 microns and half the number of layers. The in the 5a and 5b shown values correspond to those in the 4 plotted values of the dynamic Aktorhubs H_dyn.

Die 6a und 6b zeigen Messkurven des dynamischen Aktorhubs H_dyn und der maximalen Leistung Q_max eines Vielschichtaktors mit einer Schichtdicke von 90 μm als Funktion der Zeit t bei einer Ansteuerspannung von 100 V. Die in der 6a dargestellten Werte entsprechen den in der 3, linke Figurenhälfte, aufgetragenen Werten des dynamischen Aktorhubs H_dyn und die in der 6b dargestellten Werte entsprechen den in der 2, linke Figurenhälfte, aufgetragenen Werten der Ladung.The 6a and 6b show measured curves of the dynamic actuator stroke H_dyn and the maximum power Q_max of a multilayer actuator with a layer thickness of 90 μm as a function of time t at a drive voltage of 100 V. 6a shown values correspond to those in the 3 , Left half of the figure, plotted values of the dynamic Aktorhubs H_dyn and in the 6b shown values correspond to those in the 2 , left half of the figure, applied values of the charge.

Vergleichend hierzu sind in den 7a und 7b Messkurven des dynamischen Aktorhubs H_dyn und der maximalen Ladung Q_max eines Vielschichtaktors mit einer Schichtdicke von 180 μm und halber Schichtanzahl als Funktion der Zeit t bei einer Ansteuerspannung von 200 V gezeigt. Die in der 7a dargestellten Werte entsprechen dabei den in der 3, rechte Figurenhälfte, aufgetragenen Werten des dynamischen Aktorhubs und die in der 7b dargestellten Werte entsprechen den in der 2, rechte Figurenhälfte, aufgetragenen Werten der Ladungsmenge.Comparing to this are in the 7a and 7b Measuring curves of the dynamic Aktorhubs H_dyn and the maximum charge Q_max of a multilayer actuator with a layer thickness of 180 microns and half the number of layers as a function of time t at a drive voltage of 200 V shown. The in the 7a displayed values correspond to those in the 3 , right half of the figure, plotted values of the dynamic Aktorhubs and in the 7b shown values correspond to those in the 2 , right half of the figure, applied values of the charge quantity.

Claims (7)

Brennstoffeinspritzventil (1) für Einspritzanlagen insbesondere für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor (2), einer durch den Vielschichtaktor (2) betätigbaren Ventilnadel (3), welche mit einem Ventilschließkörper (4) zusammenwirkt, der mit einem Ventilsitzkörper (5) einen Dichtsitz (6) bildet, wobei der Vielschichtaktor (2) eine Anzahl von Schichten (7) von piezokeramischen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) zwischen 120 μm und 500 μm beträgt.Fuel Injector ( 1 ) for Einspritzanla in particular for internal combustion engines of motor vehicles for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine, with a piezoceramic multilayer actuator ( 2 ), one through the multilayer actuator ( 2 ) operable valve needle ( 3 ), which with a valve closing body ( 4 ) cooperating with a valve seat body ( 5 ) a sealing seat ( 6 ), wherein the multilayer actuator ( 2 ) a number of layers ( 7 ) of piezoceramic material, characterized in that the layer thickness of the piezoceramic layers ( 7 ) is between 120 μm and 500 μm. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) zwischen 120 μm und 250 μm beträgt.Fuel injection valve according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the piezoceramic layers ( 7 ) is between 120 μm and 250 μm. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) annähernd 120 μm beträgt.Fuel injection valve according to claim 1 or 2, characterized in that the layer thickness of the piezoceramic layers ( 7 ) is approximately 120 microns. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) annähernd 160 μm bis 190 μm beträgt.Fuel injection valve according to claim 1 or 2, characterized in that the layer thickness of the piezoceramic layers ( 7 ) is approximately 160 μm to 190 μm. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (7) des Vielschichtaktors (2) als einzelne Folien ausgebildet sind.Fuel injection valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the layers ( 7 ) of the multilayer actuator ( 2 ) are formed as individual foils. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (7) aus keramischen Grünfolien, insbesondere auf Polyvinylbutyral-Basis, hergestellt sind.Fuel injection valve according to claim 5, characterized in that the foils ( 7 ) are made of ceramic green films, in particular based on polyvinyl butyral. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (7) aus mit Strontium, Kalium und Niob dotiertem Bleizirkonattitanat(PZT)-Keramikpulver hergestellt sind.Fuel injection valve according to claim 5 or 6, characterized in that the foils ( 7 ) of lead zirconate titanate (PZT) ceramic powder doped with strontium, potassium and niobium.
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