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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere einen
Aktor für
ein Brennstoffeinspritzventil, und ein Brennstoffeinspritzventil
mit solch einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung
einen piezokeramischen Aktor für
einen Injektor für
Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der WO 03/026033 A1 ist ein piezoelektrischer Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil
bekannt. Der bekannte Aktor weist dabei zur Elektrodenanbindung
Kontaktbahnen auf, die in innenliegende, durchgängige Ausnehmungen des Aktors eingebracht
sind, um einerseits eine Verbindung mit den positiven Elektroden
und andererseits mit den negativen Elektroden des Aktors herzustellen.
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Aus
der
DE 102 31 470
A1 ist eine Werkstoff-Mischtechnik zur Bildung und Korrektur
der Zusammensetzung von einphasigen Mehrkomponenten-Werkstoffen
bekannt. Speziell eignet sich die bekannte Mischtechnik zur Herstellung
einer Werkstoffzusammensetzung für
piezoelektrische keramische Bauteile auf der Basis von Bleizirkonattitanat.
Dabei wird bei einem Sinterprozess ein vorgeformter Körper zu
Keramiken mit definierten physikalischen Eigenschaften verdichtet.
Damit hergestellte Halbfabrikate können bei der Herstellung eines
bekannten piezoelektrischen Aktors für ein Brennstoffeinspritzventil
verwendet werden.
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Der
bekannte piezoelektrische Aktor hat den Nachteil, dass seine Herstellung
relativ aufwändig
ist. Speziell erfolgt nach dem Sinterprozess eine Nachbearbeitung
der Außenflächen durch
Schleifen oder dergleichen. Dadurch wird die Verbindung mit Elektrodenanbindungen
ermöglicht.
Außerdem
werden die Stirnflächen
des Aktors bearbeitet, um einen Aktorkopf und einen Aktorfuß anzufügen. Ferner
wird die äußere Form
des Aktors an eine Aktorhalterung oder dergleichen angepasst, um
eine Zentrierung des Aktors zu ermöglichen. Diese und andere Fertigungsschritte
bei der Herstellung des Aktors bedingen relativ hohe Herstellungskosten.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezokeramische
Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Nachbearbeitung des Aktor optimiert ist, wodurch
die Stückkosten
verringert sind. Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 8 hat den entsprechenden Vorteil.
Das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors mit den Merkmalen
des Anspruchs 9 hat den Vorteil, dass der Einsatz an Betriebsmitteln
optimiert ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors, des im Anspruch 8 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
und des im Anspruch 9 angegebenen Verfahrens möglich.
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Die
Elektrodenanbindung kann als außenliegende
Elektrodenausbildung ausgestaltet sein. In vorteilhafter Weise ist
die Außenfläche des
Aktors für die
Elektrodenanbindung an einem geschliffenen Bereich vorgesehen, wobei
die seitlichen Außenflächen, die
nicht für
die Elektrodenanbindungen benötigt
werden, nach dem Sinterprozess nicht weiter bearbeitet werden, wodurch
der Betriebsmitteleinsatz reduziert ist. An den unbearbeiteten seitlichen
Außenflächen weist
der Aktor dann eine während
des Sinterprozesses entstehende Sinterhaut auf, die allerdings die
Funktionsfähigkeit
des Aktors im Betrieb nicht beeinträchtigt.
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Die
Elektrodenanbindungen können
auch als innenliegende Elektrodenanbindungen ausgestaltet sein,
wobei die Elektrodenanbindungen vorzugsweise durch die selbe stirnseitige
Außenfläche in den Aktor
geführt
sind. Die stirnseitigen Außenflächen des
Aktors sind zum Anfügen
eines Aktorkopfes und eines Aktorfußes oder anderer Übergangsstücke plan
ausgestaltet, insbesondere plan geschliffen, um ein ebenes Anliegen
an den Gegenstücken,
insbesondere dem Aktorkopf oder dem Aktorfuß beziehungsweise den Übergangsstücken, zu
ermöglichen. Die
seitlichen Außenflächen des
Aktors sind dann vorzugsweise nicht nachbearbeitet und weisen eine gemeinsame
Sinterhaut auf. Bei einem Aktor mit einer runden Außengeometrie,
insbesondere bei einem zylinderförmigen
Aktor, ist die Außenfläche dann
mit einer Sinterhaut umhüllt.
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Insbesondere
für die
Zentrierung des Aktors können
eine oder mehrere Fasen vorgesehen sein, die sich in der Richtung
einer Achse des Aktors erstrecken. Die Fasen können nach dem Sinterprozess durch
Schleifen oder dergleichen an den Außenkanten des Aktors ausgebildet
werden. Vorzugsweise werden die Fasen jedoch bereits vor dem Sinterprozess
ausgeformt und nach dem Sintern nicht weiter nachbearbeitet, so
dass die Fasen eine Sinterhaut aufweisen. Die Ausbildung der Fasen
kann dabei während
des Fügeprozesses,
insbesondere durch Pressen, erfolgen, so dass der Betriebsmitteleinsatz verringert
ist, das Verfahren zur Herstellung des piezoelektrischen Aktors
mithin kostengünstiger
durchgeführt
werden kann und die Stückkosten
des Aktors oder des Brennstoffeinspritzventils verringert sind.
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Zeichnung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem Aktor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einer auszugsweisen Schnittdarstellung;
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2 einen
Schnitt durch den in 1 gezeigten Aktor des Brennstoffeinspritzventils
entlang der mit II bezeichneten Schnittlinie und
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3 einen
auszugsweisen Schnitt durch den in 1 gezeigten
Aktor entlang der mit III bezeichneten Schnittlinie gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Brennstoffeinspritzventils 1 der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann
insbesondere als Injektor für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Insbesondere eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für Nutzkraftwagen
oder Personenkraftwagen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Aktor 2 auf.
Der Aktor 2 eignet sich speziell für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße Aktor 2 eignen
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein aus mehreren Teilen
bestehendes Ventilgehäuse 3 und einen
mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen
Brennstoffeinlassstutzen 4 auf, an den eine Brennstoffleitung
anschließbar
ist, um Brennstoff in einen Aktorraum 5 im Inneren des
Ventilgehäuses 3 des
Brennstoffeinspritzventils 1 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist durch
Durchlassöffnungen 6, 7 mit
einem Brennstoffraum 8 verbunden. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils
wird der Brennstoff über
den Brennstoffeinlassstutzen 4, den Aktorraum 5 und
die Durchlassöffnungen 6, 7 in
den Brennstoffraum 8 geleitet.
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An
einem mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen
Ventilsitzkörper 9 ist
eine Ventilsitzfläche 10 ausgebildet,
die mit einem Ventilschließkörper 11 zu einem
Dichtsitz zusammenwirkt. Der Ventilschließkörper 11 ist mit einer
Ventilnadel 12 verbunden. Die Ventilnadel 12 verbindet
den Ventilschließkörper 11 mit
einer im Aktorraum 5 angeordneten Druckplatte 13,
wobei die Ventilnadel 12 mittels eines Gehäuseteils 14,
in dem die Durchlassöffnungen 6, 7 ausgebildet
sind, in Richtung einer Achse 15 geführt ist. Zwischen der Druckplatte 13 und
dem Gehäuseteil 14 ist
eine Ventilfeder 16 angeordnet, so dass die Ventilnadel 12 über die
Druckplatte 13 mit einer Schließkraft beaufschlagt ist, wodurch
der zwischen dem Ventilschließkörper 11 und
der Ventilsitzfläche 10 ausgebildete
Dichtsitz geschlossen ist.
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An
dem Ventilgehäuse 3 des
Brennstoffeinspritzventils 1 ist ferner ein Anschlusselement 20 vorgesehen,
um das Anschließen
einer elektrischen Zuleitung mittels eines Steckers an elektrische
Leitungen 21, 22 zu ermöglichen.
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An
den piezoelektrischen Aktor 2 ist einerseits ein Aktorfuß 23 und
andererseits ein Aktorkopf 24 angefügt. Dabei stützt sich
der Aktor 2 über
den Aktorfuß 23 an
dem Ventilgehäuse 3 ab
und steht über
den Aktorkopf 24 mit der Druckplatte 13 in Wirkverbindung.
Durch die Ventilnadel 16 ist der Aktor 2 vorgespannt.
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Die
elektrischen Leitungen 21, 22 sind durch das Ventilgehäuse 3 und
den Aktorfuß 23 in
den Aktorraum 5 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt. Innerhalb
des Aktorraums 5 ist die elektrische Leitung 21 mit
einer ersten Elektrodenanbindung 31 verbunden und die elektrische
Leitung 22 ist innerhalb des Aktorraumes 5 mit
einer zweiten Elektrodenanbindung 32 verbunden. Der piezoelektrische
Aktor weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 33 auf,
zwischen denen eine Vielzahl von elektrisch leitenden Elektrodenschichten 34, 35 angeordnet
ist. Die Anzahl der keramischen Schichten 33 und der Elektrodenschichten 34, 35 kann
jeweils einige hundert, insbesondere etwa dreihundert, betragen.
Die Elektrodenschichten 34, 35 sind zum Teil als
positive Elektrodenschichten 34 und zum Teil als negative
Elektrodenschichten 35 ausgestaltet. Die erste Elektrodenanbindung 31 ist
in dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
mit den positiven Elektrodenschichten 34 verbunden, und
die zweite Elektrodenanbindung 32 ist mit den negativen
Elektrodenschichten 35 verbunden. Die Elektrodenschichten 34, 35 sind
abwechselnd zwischen den keramischen Schichten 33 vorgesehen.
Durch Anlegen einer Spannung zwischen den elektrischen Leitungen 21, 22 kann
der Aktor 2 geladen werden, wobei sich dieser ausdehnt.
Durch die Ausdehnung des Aktors 2 wird die Ventilnadel 12 entgegen
der Kraft der Ventilfeder 16 bewegt, so dass der zwischen
der Ventilsitzfläche 10 und
dem Ventilschließkörper 11 ausgebildete
Dichtsitz geöffnet
wird. Dadurch kann Brennstoff aus dem Brennstoffraum 8 über einen
ringförmigen Spalt 38 und
den geöffneten
Dichtsitz aus dem Brennstoffraum 8 in einen Brennraum einer
Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Durch
Entladen des Aktors 2 über
die elektrischen Leitungen 21, 22 wird erreicht,
dass sich der Aktor 2 wieder zusammenzieht, so dass die
Ventilnadel 12 und somit der Ventilschließkörper 11 in
Richtung der Kraft der Ventilfeder 16 wieder in die in
der 1 dargestellte Ausgangslage zurückgestellt
werden, wodurch der Dichtsitz wieder geschlossen ist.
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Die
erste Elektrodenanbindung 31 und die zweite Elektrodenanbindung 32 sind
als außenliegende
Elektrodenanbindungen 31, 32 ausgeführt. Die
Verbindung der Elektrodenanbindungen 31, 32 mit
dem Aktor 2 und die weitere Ausgestaltung des Aktors 2 ist
anhand der 2 näher beschrieben.
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2 zeigt
einen Schnitt durch den Aktor 2 des ersten Ausführungsbeispiels
entlang der in 1 mit II bezeichneten Schnittlinie.
Der piezoelektrische Aktor 2 weist Außenflächen 40, 41, 42, 43 auf. Die
Außenflächen 40, 42 sind
nach der Sinterung des Aktors 2 durch Schleifen nachbearbeitet
worden, wobei insbesondere ein Bereich 44 der Außenfläche 40 und
ein Bereich 45 der Außenfläche 42 geschliffen worden
sind, um eine Verbindung der ersten Elektrodenanbindung 31 beziehungsweise
der zweiten Elektrodenanbindung 32 mit den Elektrodenschichten 34, 35 zu
ermöglichen.
Die weiteren Außenflächen 41, 43 des
Aktors 2 sind nach dem Sintern nicht nachbearbeitet worden,
so dass an der Außenfläche 41 eine
Sinterhaut 46 und an der Außenfläche 43 eine Sinterhaut 47 vorgesehen
ist.
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Ferner
weist der Aktor 2 in Richtung der Achse 15 des
Aktors 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 verlaufende
Fasen 50, 51, 52, 53 auf, die
vor dem Sinterprozess an dem noch rohen Material der keramischen
Schichten 33 und der Elektrodenschichten 34, 35 ausgebildet
worden sind. Dies kann insbesondere während eines Formgebungsprozesses,
zum Beispiel beim Verpressen der pulverförmigen Ausgangsmaterialien,
erfolgen. Im Bereich der Fasen 50, 51, 52, 53 erfolgt ebenfalls
keine Nachbearbeitung. Deshalb erstreckt sich die Sinterhaut 46 auch über die
Fasen 51, 52 und die Sinterhaut 47 erstreckt
sich auch über
die Fasen 50, 53.
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Die
erste Elektrodenanbindung 31 ist mittels eines Verbindungsmittels 54,
beispielsweise durch Löten,
mit den Elektrodenschichten 34 elektrisch und mechanisch
verbunden, wobei auch eine mechanische Verbindung mit den keramischen
Schichten 33 besteht. Entsprechend ist auch die zweite
Elektrodenanbindung 32 mittels eines Verbindungsmittels 55 mit
den Elektrodenschichten 35 elektrisch und mechanisch verbunden,
wobei auch eine mechanische Verbindung mit den keramischen Schichten 33 besteht.
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Der
piezoelektrische, keramische Aktor 2 ist somit im Wesentlichen
nur in den Bereichen 44, 45 der Außenflächen 40, 42 durch
Schleifen nachbearbeitet, wodurch der Aufwand zur Herstellung des
Aktors 2 verringert ist. Die weiteren Außenflächen 41, 43 und
die Fasen 50, 51, 52, 53, die
jeweils zwischen zwei nebeneinanderliegenden Außenflächen 40, 41, 42, 43 vorgesehen
sind, sind nicht nachbearbeitet, so dass eine während des Sinterns entstandene
Sinterhaut 46 an den Fasen 51, 52 und
der Außenfläche 41 sowie
eine Sinterhaut 47 an den Fasen 50, 53 und der
Außenfläche 43 erhalten
sind.
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3 zeigt
einen piezoelektrischen Aktor 2 eines Brennstoffeinspritzventils 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
aus der in der 1 mit III bezeichneten Blickrichtung.
Der Aktor 2 des zweiten Ausführungsbeispiels weist eine
zylinderförmige Ausgestaltung
auf, so dass sich entlang der in 1 mit III
bezeichneten Schnittlinie ein kreisförmiger Querschnitt ergibt.
Der Aktor 2 weist stirnseitige Außenflächen 56, 57 (1)
auf. Mit der stirnseitigen Außenfläche 56 liegt
der Aktor 2 an dem Aktorfuß 23 an und mit der
stirnseitigen Außenfläche 57 liegt
der Aktor 2 an dem Aktorkopf 24 an. Die stirnseitigen
Außenflächen 56, 57 sind
plan geschliffen, um ein ebenes Anliegen zu ermöglichen.
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Die
Elektrodenanbindungen 31, 32 sind als im Wesentlichen
innenliegende Elektrodenanbindungen 31, 32 ausgestaltet
und nebeneinander durch die stirnseitige Außenfläche 56 in den Aktor 2 geführt. Innerhalb
des Aktors 2 ist die erste Elektrodenanbindung 31 mit
den Elektrodenschichten 34 verbunden, und die zweite Elektrodenanbindung 32 ist
mit den Elektrodenschichten 35 verbunden. Die stirnseitige Außenfläche 56 liegt
eben an dem Aktorfuß 23 an,
so dass eine Abdichtung zwischen der Außenfläche 56 und dem Aktorfuß 23 gewährleistet
ist, die die Elektrodenanbindungen 31, 32 zuverlässig gegen äußere Einwirkungen,
insbesondere gegenüber
Flüssigkeiten,
schützen.
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Eine
seitliche Außenfläche 41 des
Aktors 2 wird nach dem Sintern nicht weiter bearbeitet,
so dass an der Außenfläche 41 eine
während
des Sinterprozesses entstandene Sinterhaut 46 erhalten bleibt.
Durch die bearbeiteten stirnseitigen Außenflächen 56, 57 wird
eine vorteilhafte Kraftübertragung von
dem Aktor 2 auf die Gegenstücke 23, 24,
d.h. den Aktorfuß 23 und
den Aktorfuß 24,
ermöglicht. Gleichzeitig
wird eine gute Abdichtung der Elektrodenanbindungen 31, 32 gegenüber der
Umgebung, insbesondere gegen in Dieselbrennstoff enthaltenes Wasser,
und ein mechanischer Schutz in Bezug auf den im Aktorraum 5 herrschenden
hohen Druck des Brennstoffes erreicht. Die Nachbearbeitung des Aktors 2 an
den stirnseitigen Außenflächen 56, 57,
wobei die Außenfläche 41 nicht
bearbeitet wird, gewährleistet
dabei zusammen mit der Ausgestaltung des Aktors 2 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel eine
hohe Zuverlässigkeit
bei reduziertem Fertigungsaufwand.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.