DE102006025820A1

DE102006025820A1 - Piezoelektrischer Aktor mit einer Ummantelung aus einem Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102006025820A1
Application number: DE102006025820A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. Capellmann; Gregor Dr.-Ing. Renner; Holger Dipl.-Ing. Stark (Fh)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-10-31
Also published as: US8261720B2; WO2007124842A2; US20100031929A1; WO2007124842A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor (1, 1') für unströmende Medien, mit einem zwischen zwei Endkappen (3, 3') angeordneten Piezoelement (2). Das Piezoelement (2) ist von einer mit den Endkappen (3, 3') verbundenen, ringförmigen Ummantelung (5) umgeben. Die Ummantelung (5) besteht zumindest abschnittsweise aus einem Verbundwerkstoff (11, 11') mit mindestens zwei Schichten (12, 13), wobei mindestens eine Schicht (12) aus einem metallischen Werkstoff und mindestens eine Schicht (13) aus einem Polymer besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für umströmende Medien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er beispielsweise aus der gattungsbildend zugrunde gelegten DE 102 30 032 A1 als bekannt hervorgeht.
Um die Emissionen von Verbrennungsmotoren zu reduzieren, werden zur Kraftstoffversorgung zunehmend Einspritzsysteme eingesetzt, bei denen Kraftstoff mit Hilfe einer Hochdruckpumpe in einen Speicher gefördert und von dort aus mit Hilfe eines Injektors in den Brennraum eingespritzt wird. Die Betätigung des Injektors erfolgt durch einen elektrisch angesteuerten Aktor, vorzugsweise einen piezoelektrischen Aktor. Aufgrund der sehr kurzen Schaltzeiten solcher piezoelektrischer Aktoren lassen sich die Einspritzvorgänge hochgenau kontrollieren und dosieren; insbesondere sind bei Verwendung piezoelektrischer Aktoren mehrere Düsennadelhübe (Einspritzvorgänge) pro Motorumdrehung möglich.
Ein piezoelektrischer Aktor enthält ein Piezoelement aus einer Quarzkeramik oder PZT-Keramik (Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik), dessen aktive Hauptflächen mit einem Aktordeckel und der Aktorboden verbunden sind. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an Aktordeckel bzw. Aktorboden kann die Länge des Piezoelements verändert werden. Diese Längenänderung wird im Betrieb auf ein Ventil im Kraftstoffinjektor übertragen.
Problematisch ist, dass der piezoelektrische Aktor vielfach im direkten Medien- bzw. Kraftstoffkontakt steht, da er im Druckraum des Injektors angeordnet ist und dort von Kraftstoff unter hohem hydrostatischem Druck umspült wird. Um ein Eindringen von Öl oder Kraftstoff in das Innere des piezoelektrischen Aktors zu verhindern, muss dieser daher mit einer Schutz- bzw. Abdichtungsanordnung versehen sein. Dies kann beispielsweise ein hülsenförmiger Gehäusemantel sein, der endseitig am Aktorboden bzw. am Aktordeckel befestigt ist. In der gattungsbildenden DE 102 30 032 A1 wird zum Schutz des piezoelektrischen Aktors gegenüber umströmenden Medien vorgeschlagen, den Aktor mit einer Ummantelung aus einem elektrisch isolierenden, lappigen und/oder elastischen Material zu versehen, der das Piezoelement umschließt. Aus der (deutschen Patentanmeldung 10 2006 012 845.1) ist weiterhin bekannt, die Ummantelung als Schrumpfschlauch auszugestalten, der endseitig mit Hilfe von umlaufenden Ringelementen am Außenumfang von Aktorboden und Aktordeckel festgepresst wird.
Mit einer Ummantelung aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einer Schrumpffolie, kann zwar das Piezoelement gegenüber dem den Aktor umspülenden (und unter hohem Druck stehenden) Kraftstoff geschützt werden. Allerdings ist mit solchen Polymerfolien vielfach keine vollständig diffusionsdichte Ummantelung realisierbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den aus der DE 102 30 032 A1 bekannten piezoelektrischen Aktor in einer solchen Weise weiterzuentwickeln, dass das Piezoelement des Aktors wirksam gegenüber umströmenden Medien geschützt ist.
Diese Aufgabe wird durch einen piezoelektrischen Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bei diesem Aktor besteht die Ummantelung zumindest abschnittsweise aus einem Verbundwerkstoff mit mindestens zwei Schichten, wobei mindestens eine Schicht aus einem metallischen Werkstoff besteht und mindestens eine Schicht aus einem Polymer besteht. Ein solcher Verbundwerkstoff ist elektrisch leitfähig; daher kann die Ummantelung in einer solchen Weise elektrisch verschaltet werden (insbesondere durch Erdung der Ummantelung), dass es unmöglich für Ionen ist, die Ummantelung zu durchdringen. Die Ummantelung stellt somit eine diffusionsdichte Schutzschicht dar und schützt das Piezoelement vor eindringenden Flüssigkeiten, insbesondere vor Kraftstoff, Wasser und Ionen.
Andererseits kann die Polymerschicht des Verbundwerkstoffs in einer solchen Weise gestaltet werden, dass sie eine chemische Passivität der Ummantelung sicherstellt.
Die Ummantelung muss hohen Anforderungen genügen: Sie muss das Piezoelement wirksam gegen eindringende Medien (Kraftstoff, Wasser, Ionen, ...) schützen und – insbesondere auch im Fügebereich zwischen Ummantelungsfolie und Endkappen – dauerhafte Diffusionsdichtheit gewährleisten. Weiterhin muss sie auch bei zyklischer Belastung gegen den im Druckraum wirkenden hydrostatischen Druck unempfindlich sein, also ein ausreichendes Dehnungsvermögen und eine hohe Elastizität besitzen. Die genannten Eigenschaften müssen im gesamten Temperaturintervall zwischen –40°C und 120°C sichergestellt sein.
Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, bietet die Verwendung eines Verbundwerkstoffs für die Ummantelung die Möglichkeit, die Anzahl, Reihenfolge und Dicke der Einzelschichten in geeigneter Weise zu wählen bzw. anzupassen. Weiterhin kann die Metallschicht und/oder die Polymerschicht der Ummantelung mit verstärkenden Geweben und/oder Fasern versehen sein. Außerdem kann der Verbundwerkstoff der Ummantelung – zusätzlich zu der mindestens einen Polymer- und Metallschicht – weitere Schichten (insbesondere aus Papier und/oder Karton und/oder Gewebe und/oder Fasern) aufweisen, denen dabei jeweils eine besondere Funktion zukommt. Es können auch Schichten bzw. Schichtsysteme eingesetzt werden, in die Ionengetter implantiert sind. Durch eine vorteilhafte Kombination von Einzelschichten ist es möglich, das gesamte Anforderungsspektrum der Ummantelung abzudecken.
Die metallische(n) Schicht(en) des Verbundwerkstoffs kann bzw. können insbesondere walzplattiert oder galvanisch abgeschieden oder mittels Physical Vapour Deposition (PVD) oder Chemical Vapour Deposition (CVD) erzeugt werden.
Ein großer Vorteil der Verwendung von Verbundwerkstoffen ist die Möglichkeit, Beschichtungen aufzubringen bzw. zu verarbeiten, die als allein stehende Einzelschichten nicht prozesssicher applizierbar bzw. verwendbar wären. Ein Beispiel hierfür sind Metallfolien aus Reinaluminium bzw. Aluminiumlegierungen, die in einer Foliendicke von 6 μm hergestellt werden können, mit dieser geringen Schichtdicke jedoch nicht die an eine Aktorummantelung gestellten Anforderungen erfüllen bzw. nicht sicher appliziert werden können; wird eine solch dünne Aluminiumfolie jedoch auf eine reißfeste, dehnbare Polymerfolie aufgezogen, so eignet sich der dabei entstehende Verbundwerkstoff für eine Aktorummantelung.
Weiterhin ist es durch eine vorteilhafte Kombination und Reihenfolge der unterschiedlichen Schichten im Verbundwerkstoff möglich, Eigenschaften bzw. Funktionen zu erreichen, die erst durch diese Kombination möglich sind. So hat beispielsweise eine mit Aluminium beschichtete Polymerfolie gegenüber einer reinen Aluminiumfolie ein erhöhtes Dehnungs- und Schervermögen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Ummantelung eine (Ummantelungs-)Folie aus einem Verbundwerkstoff, die diffusionsdicht mit den Endkappen des Aktors verbunden ist. Unter „Folie" soll dabei ein flächenhafter, biegsamer, in gewissen Grenzen dehnbarer bzw. elastischer Materialabschnitt mit geringer Wandstärke verstanden werden. Die Ummantelungsfolie dichtet den Innenraum der Hülse gegen den Außenraum ab und schützt daher das Piezoelement vor denn umströmenden Medien wie Kraftstoff bzw. Kraftstoffbestandteilen und Wasser. Aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften gestattet sie einen Druckausgleich zwischen dem von der Ummantelungsfolie eingeschlossenen Innenraum des Aktors und der Umgebung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Ummantelung eine Hülse mit lokal begrenzten Durchbrüchen, die von einer dichtend mit der Hülse verbundenen, elastischen und dehnbaren Folie überspannt sind. Die Folie dichtet den Innenraum der Hülse gegen den Außenraum ab und schützt daher das Piezoelement vor denn umströmenden Medien wie Kraftstoff bzw. Kraftstoffbestandteilen und Wasser. Gleichzeitig gestattet die Folie aufgrund ihrer elastischen, dehnbaren Eigenschaften auch bei hohen Umgebungsdrücken (bis zu 2000 bar) einen Druckausgleich zwischen den beiden Räumen. Die Hülse und/oder die Folie bestehen dabei aus einem Verbundwerkstoff.
Die Ummantelung kann – wie aus der (deutschen Patentanmeldung 10 2006 012 845.1) bekannt – durch ringförmige Klemmelemente an den Endkappen des Aktors befestigt werden. Alternativ kann die Ummantelung mit den Endkappen verklebt oder durch eine Löt- oder eine Schweißverbindung (z.B. WIG-Schweißen, Laser- oder Elektronenstrahlschweißen) mit den Endkappen verbunden werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors in einer ersten Ausgestaltung;
2 eine Detaildarstellung der Ummantelung des Aktors der 1;
3 eine schematische Schnittdarstellung (Ausschnitt) eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors in einer alternativen Ausgestaltung.
1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen piezoelektrischen Aktor 1 zur Betätigung des Einspritzventils eines Kraftstoffinjektors in einem Verbrennungsmotor. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Kraftstoffinjektors ist beispielsweise in der (deutschen Patentanmeldung 10 2006 012 845.1) erläutert, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegenden Patentanmeldung übernommen wird. Der Aktor 1 ist im Betrieb in einem Druckraum 6 des Kraftstoffinjektors angeordnet und wird dort von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff umspült.
Der Aktor 1 umfasst zwei Endkappen 3, einen Aktorboden 3a und einen Aktordeckel 3b, zwischen denen ein Piezoelement 2 angeordnet ist. Das Piezoelement 2 besteht beispielsweise aus mehreren Lagen von Piezoschichten aus einer piezoelektrischen Keramik und erhält mittels elektrischer Leitungen 7 Steuersignale von einem Steuergerät. Das Piezoelement 2 ist mittels Abstützplatten 4 gegenüber den Endkappen 3 elektrisch isoliert und mittels einer kraftstoffdichten bzw. kraftstoffabweisenden Ummantelung 5 gegen den Kraftstoff im Druckraum 6 des Injektors abgedichtet, wodurch elektrische Kurzschlüsse in den elektrischen Bauteilen des Aktors 1 vermieden werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zwischen dem Piezoelement 2 und der Innenwand 8 der Ummantelung 5 gebildeter Hohlraum 9 mit einem elektrisch isolierenden Fluid 10, beispielsweise einem Silikonöl, gefüllt, um einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum 9 und dem Außenraum 6 ermöglichen zu können.
Die Ummantelung 5 umfasst eine Ummantelungsfolie 11 aus einem Verbundwerkstoff, der mindestens eine metallische Schicht 12 (beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung) und mindestens eine Polymerschicht 13 (insbesondere aus einem Polymer) umfasst (siehe Detaildarstellung der 2). Die Ummantelungsfolie ist elektrisch leitfähig, dehnbaren und flexibel.
Um den Innenraum des Aktors 1 diffusionsdicht gegen den Druckraum 6 abzudichten, ist die Ummantelungsfolie 11 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit den Endkappen 3 des Aktors 1 umlaufend verlötet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Endkappen 3 keramische Grundkörper 14 auf, die mit ringförmigen Metallelementen 15 versehen sind, an denen die Ummantelungsfolie 11 angelötet ist; der Werkstoff (bzw. eine Beschichtung) des Metallelements 15 ist in einer solchen Weise auf die Werkstoffe der Ummantelungsfolie 11 abgestimmt, dass eine einfache, diffusionsdichte und dauerfeste Verlötung der Ummantelungsfolie 11 mit dem Metallelement 15 sichergestellt werden kann. Alternativ kann die Ummantelungsfolie mit den Endkappen 3 verschweißt, verklebt oder mechanisch (z.B. über eine Klemmverbindung mit Ringelementen) verbunden sein.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktors 1'. Hier umfasst die Ummantelung 5' eine zylinderförmige Hülse 17 aus einem Metallblech, deren Wandung mit Durchbrüchen 18 versehen ist. Die Hülse 17 umschließt das Piezoelement 2 und die Abstützplatten 4 des Aktors 1' vollständig und ist mit den Endkappen 3' verschweißt, verlötet, verklebt oder mechanisch verbunden.
Die Hülse 17 ist außenseitig von einer flexiblen und elastischen Folie 19 aus einem Verbundwerkstoff 11' umschlungen, die flach auf der Außenwand der Hülse 17 aufliegt; sie überspannt die Durchbrüche 18 in Form einer Membran und dient im Betrieb des Aktors 1 dem Druckausgleich zwischen dem im Hohlraum 9 eingeschlossenen Fluid 10 und dem von außen (d.h. vom Druckraum 6 des Injektors) auf den Aktor 1' wirkenden (Hoch-)Druck des einzuspritzenden Kraftstoffs. Um einen solchen Druckausgleich auch bei zyklischer Belastung und unter hohen Drücken im Dauerbetrieb bewältigen zu können, muss der Verbundwerkstoff der Folie 11' ein ausreichend hohes Dehnungsvermögen bzw. Elastizität besitzen.

Claims

Piezoelektrischer Aktor (1, 1') für unströmende Medien, – mit einem zwischen zwei Endkappen (3) angeordneten Piezoelement (2) – und mit einer endseitig mit den Endkappen (3) verbundenen ringförmigen Ummantelung (5), die das Piezoelement (2) zumindest bereichsweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, – dass die Ummantelung (5) zumindest abschnittsweise aus einem Verbundwerkstoff (11, 11') mit mindestens zwei Schichten (12, 13) besteht, wobei mindestens eine Schicht (12) aus einem metallischen Werkstoff und mindestens eine Schicht (13) aus einem Polymer besteht.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (5) eine elastische und dehnbare Ummantelungsfolie (11) aus einem Verbundwerkstoff mit mindestens einer metallischen Schicht (12) und mindestens einer Polymerschicht (13) umfasst.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass die Ummantelung (5) eine Hülse (17) umfasst, die in lokal begrenzten Bereichen mit Durchbrüchen (18) versehen ist, – und dass die Durchbrüche (18) von einer dichtend mit der Hülse (17) verbundenen elastischen und dehnbaren Folie (19) überspannt sind.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (17) aus einem Verbundwerkstoff mit mindestens einer metallischen Schicht (12) und mindestens einer Polymerschicht (13) besteht.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (19) aus einem Verbundwerkstoff (11') mit mindestens einer metallischen Schicht (12) und mindestens einer Polymerschicht (13) besteht.
Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff (11, 11') mindestens eine Schicht (12) aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung enthält.
Verwendung eines piezoelektrischen Aktors (1, 1') nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Injektor einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Otto- oder einem Dieselmotor.