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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoelementstapel (Piezostack) mit einem diesen umgebenden Schutzschichtsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Piezoinjektor, insbesondere zur Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, mit einem derartigen Piezoelementstapel.
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Aus der
DE 10 2007 004 552 A1 ist ein gattungsgemäßer Piezoelementstapel mit einem diesen umgebenden Schutzschichtsystem bekannt. Das Schutzschichtsystem dient dabei in erster Linie dazu, den Piezoelementstapel, der beispielsweise zum Heben und Senken einer Injektornadel verwendet wird, vor einem direkten Kontakt mit Kraftstoff zu schützen.
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Aus der
US 7,145,482 B2 ist ein Piezoelementstapel bekannt, der durch ein Metallgehäuse abgedichtet ist.
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Ein weiteres Abdichtkonzept eines derartigen Piezoelementstapels durch ein mehrlagiges Schutzschichtsystem ist beispielsweise aus der
WO 2007/102088 A2 bekannt, wobei hier der Piezoelementstapel von einem Schrumpfschlauch umgeben ist. Nachteilig bei insbesondere diesem Dichtkonzept ist, dass die Abdichtung entlang einer Linienfläche vorgenommen wird, was dazu führen kann, dass beim Betrieb des Piezoelementstapels bzw. eines damit ausgerüsteten Piezoinjektors Kraftstoffe oder andere Bestandteile, z. B. Wasserverunreinigungen, unter die Abdichtung kriechen und in Richtung der Piezokeramik gelangen können. Kritisch ist außerdem die Abdichtung über einen Verbund aus Polymermaterialien, die nicht komplett permeationsdicht sind.
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Bei einer Abdichtung des Piezoelementstapels durch eine Metallabdichtung sind insbesondere kombinierte Anforderungen an die Metallabdichtung, wie beispielsweise eine dynamische Dauerbeanspruchung, eine hohe Druckbelastung, eine Längung bis an die elastische Dehnung und darüber hinaus, Ausgleich unterschiedlicher Materialien unter Temperatur, eine innige Verbindung aller verwendeten Materialien sowie eine hohe thermische Anforderung nicht vollständig gelöst. Insbesondere bei Druckbelastungen von ca. 2.640 bar versagen die derzeit bekannten Metallabdichtungen. Der Grund hierfür ist, dass die verwendeten Materialien für die Metallabdichtungen keine ausreichende elastische Verformung übertragen können und somit die sich einstellenden Spannungen zu hoch sind, insbesondere bei den Metallabdichtungen. Dies gilt darüber hinaus insbesondere für runde Querschnitte, da diese eine hohe geometrische Steifigkeit besitzen und schlagartig zum Versagen im plastischen Bereich führen können. Runde Querschnitte können nur geringe Durchmesservergrößerungen ertragen, die bei höheren Temperaturen durch Ausdehnung des Füllmaterials erzeugt werden. Des Weiteren muss die Metallabdichtung gegebenenfalls beim Herstellungsprozess Schrumpfspannungen aufnehmen, die beim Abbinden des Füllmaterials entstehen können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen gattungsgemäßen Piezoelementstapel eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Lebensdauer auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein, einen Piezoelementstapel, kurz auch Piezostack genannt, umgebendes Schutzschichtsystem „athermal” auszubilden, worunter verstanden wird, dass eine Volumenänderung eines Systems unter homogener Temperaturänderung spannungsneutral erfolgt. Das den Piezoelementstapel umgebende Schutzschichtsystem weist dabei zumindest eine Isolierschicht und eine diese umgebende Metallabdichtung auf, wobei letztere derart ausgebildet ist, dass diese die aufgrund von homogenen Temperaturänderungen auftretenden Volumenänderungen des Piezoelementstapels und der Isolierschicht spannungsfrei aufnehmen kann. Dies bedeutet, dass sich die Metallabdichtung unter Temperaturänderung derart ausdehnt, dass das eingeschlossene Volumen dem der Volumenänderung der eingeschlossenen Materialien entspricht. Dieses führt zu den geringsten Spannungen, wobei durch eine dreidimensionale Ausbildung diese selbstverständlich nicht exakt null sein kann. Eine axiale Längenänderung muss demzufolge in eine laterale Dehnung teilweise umgerechnet werden und stellt an die Eigenschaften eines Gummi- oder Silikonwerkstoffes der Isolierschicht hinsichtlich Schervermögen (Formänderungsarbeit) besondere Anforderungen sowie an die Metallschicht. Mit dem erfindungsgemäßen Schutzschichtsystem, welches den Piezoelementstapel umhüllt, soll ein Innendruck eines Piezoinjektors, welcher den erfindungsgemäß Piezoelementstapel beinhaltet, der thermischen Belastung, Druckbelastung sowie der Längenänderung im Betrieb des Piezoelementstapels Rechnung tragen. Weil dort insbesondere auch eine Längung von bis zu 400 μm auf 80 mm = 0,5% Dehnung über eine elastische Dehnung hinaus erfolgen kann, muss dieser Lastfall ebenfalls volumenneutral erfolgen. Hierzu ist es erforderlich, dass die Mantelfläche und eventuelle Stirnflächen der Metallabdichtung ausreichende und zueinander abgestimmte Steifigkeiten aufweisen. Die Forderungen an die Stirnflächen der Metallabdichtung bestehen ausschließlich darin, die Dehnung in axialer Richtung, das heißt üblicherweise in Längsrichtung des Piezoelementstapels, zu transferieren. Längenänderungen ohne Stirnflächenkompensation können bis zu einer Längung von 0,8% statisch und 0,5% dynamisch nur durch Dehnung des Materials der Metalldichtung ausgeglichen werden. Die zu verwendenden Materialen zeichnen sich aus durch eine gute Dehnung [%] = δ max/E (δmaximal zulässige Spannung E = E-Modul). Sind Dehnungen größer 0,8% erforderlich, oder soll die axiale Last begrenzt werden, werden die Stirnflächen zur Längenkompensation dazugenommen. Daher sind hier üblicherweise nur derartige Materialien zu verwenden, deren elastische Dehnung größer als 0,3% beträgt. Für eine dynamische Beanspruchung wird darüber hinaus ein Sicherheitsbeiwert von zwei zur Längung vorgehalten, der durch einen Test auf Dauerfestigkeit mit vorzugsweise 109 Lastwechseln gesondert nachgewiesen wird.
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Ein auf den Piezoelementstapel wirkender Außendruck wird über eine Kompressibilität einer Keramik und einer Vergussmasse, hier der Isolierschicht, übertragen. In diesem Fall bedeutet dies, dass die Metallabdichtung eine hohe laterale Flexibilität aufweisen muss, um selber möglichst nur einen geringen Druckanteil zu übertragen, somit den Hauptanteil der Druckbelastung möglichst direkt an die innenliegenden Bauteile (Isolierschicht und Piezoelementstapel) zu übertragen. Ist dies der Fall, so kann die Dicke der Metallabdichtung deutlich reduziert, im günstigsten Fall gegen null streben.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Isolierschicht aus Kunststoff, insbesondere aus Gummi oder Silikon, ausgebildet. Die Isolierschicht dient dabei zur Unterbindung eines elektrischen Kontakts zwischen dem Kraftstoff bzw. der außenliegenden Metallabdichtung und dem Piezoelementstapel. Des Weiteren dient die Isolierschicht der innigen Verbindung des Piezoelementstapels und der Metalldichtung untereinander, da eingeschlossenen Luftblasen in der Isolierschicht und/oder zwischen der Isolierschicht und der Metallabdichtung uns/oder der Isolierschicht und des Piezoelementstapels die Kompressibilität verringern. An die Isolierschicht werden besondere Anforderungen hinsichtlich Scherfestigkeit gestellt, da diese z. B. unter Hub, Druck und Temperatur einen ortsgebundenen Ausgleich schaffen müssen. Die Isolierschicht sollte eine niedrige Scherfestigkeit aufweisen und nicht kompressibel sein. Prinzipiell kommen hierfür sämtliche zumindest elektrisch isolierende Materialien in Betracht, wobei aufgrund den in einem Piezoinjektor beim Betrieb auftretenden hohen Temperaturen auch gewisse Anforderungen an die Kunststoffe zu stellen sind. Diese sind insbesondere druckresistent gegenüber einer Druckbelastung von zumindest 2.640 bar und temperaturresistent gegenüber den im Piezoinjektor auftretenden Temperaturen auszubilden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, liegt die Metallabdichtung blasenfrei und zugleich vakuumdicht an der Isolierschicht an. Hierdurch soll insbesondere ein unerwünschtes Eindringen von Kraftstoff zwischen die Metallabdichtung und die Isolierschicht verhindert werden, da die Isolierschicht unter Umständen nicht völlig permeationsdicht gegenüber Kraftstoff ist.
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Die Erfindung schlägt somit ein neuartiges Metallabdichtungskonzept zur Abdichtung eines Piezoelementstapels fest, das einen festen geometrisch geformten Kunststoff-, insbesondere Gummi- oder Silikonüberzug erhält. Dieser Kunststoffüberzug wird nach außen durch die geschlossene Metallabdichtung nicht rotationssymmetrisch ummantelt. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, die auftretenden Scherkräfte über die Isolierschicht an die Metallabdichtung abzuleiten. Der in einem Piezoinjektor herrschende Außendruck von ca. 2.640 bar soll dabei durch Nutzung der Inkompressibilität der Isolierschicht direkt auf den Piezoelementstapel weitergegeben werden und somit die Belastung der Metallabdichtung abstützen. Hierbei ist zu beachten, dass die Inkompressibilität der Isolierschicht nur denjenigen Anteil beschreibt, der druckabhängig ist. Die Metallabdichtung hingegen muss den Anteil der Kompressibilität jedoch transferieren bzw. übertragen. Bei den im Betrieb auftretenden Temperaturbelastungen muss die Metallabdichtung zusätzlich diejenige Flexibilität aufbringen, die sich räumlich durch die Scherfestigkeit der Isolierschicht ergibt. Dies gilt auch für den Hub und die Dynamik. Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Metallabdichtungskonzepts können beim Herstellungsprozess entstehende Schrumpfspannungen aufgenommen werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Schnittdarstellung durch einen Piezoinjektor mit einem erfindungsgemäßen Piezoelementstapel,
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2 eine Detaildarstellung des Piezoelementstapels und insbesondere einem Aufbau dessen Schutzschichtsystems.
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Entsprechend der 1, weist ein Piezoinjektor 1, der beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine verwendet wird, ein Gehäuse 2 auf, insbesondere ein druckstabiles Gehäuse 2, mit einem darin angeordneten Piezoelementstapel 3. Dieser Piezoelementstapel 3 ist in detaillierter Form in 2 nochmals dargestellt.
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Um einen direkten Kontakt des Piezoelementstapels 3 mit einer außen anliegenden Flüssigkeit, beispielsweise mit Kraftstoff, zu verhindern, ist ein Schutzschichtsystem 4 vorgesehen, welches den Piezoelementstapel 3 umgibt. Das Schutzschichtsystem 4 weist dabei zumindest eine Isolierschicht 5 und eine diese umgebende Metallabdichtung 6 auf. Erfindungsgemäß ist nun diese Metallabdichtung 6 derart ausgebildet, dass diese die aufgrund von homogenen Temperaturänderungen auftretenden Volumenänderungen des Piezoelementstapels 3 und der Isolierschicht 5 spannungsfrei aufnimmt, das heißt kompensieren kann. Dazu weist der Querschnitt der Metallabdichtung 6 einen nicht symmetrischen Querschnitt auf. Der nicht rotationssymmetrische Querschnitt kann durch Einbuchtungen und/oder Ausbuchtungen eines rotationssymmetrischen Querschnitt, insbesondere eines kreisrunden Querschnitts, verwirklicht werden.
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Die Isolierschicht 5 ist dabei aus Kunststoff, insbesondere aus Gummi oder Silikon ausgebildet, während die Metallabdichtung 6 beispielsweise als Metallfolie ausgebildet sein kann. Die Dicke einer derartigen Metallfolie reicht von ca. 0,005 bis ca. 1 mm und ist blasenfrei und zugleich vakuumdicht auf die Isolierschicht 5 aufgebracht. Die Isolierschicht 5 aus einem Kunststoff weist zumindest eine der folgenden Eigenschaften auf:
- – Temperaturbeständigkeit,
- – einen temperaturabhängigen Schrumpfwert von > 0,5%
- – einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von αT < 450 × 10E-6 [1/K]
- – eine elastische Dehnung ε > 0,3%
- – eine Volumenänderung unter Temperaturänderungen und mechanischer Einflüsse > 2%
- – eine Volumenänderung über den Querschnitt < 37%.
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Mechanische Einflüsse können durch Druck, Hub bzw. Hubbewegung des Piezoelementstapels oder Schrumpfung die der Herstellung entstehen. Des Weiteren kann eine Volumenänderungen über den Querschnitt dazu führen, dass Einbuchtungen im Querschnitt der Metallabdichtung zumindest teilweise ausgebuchtet werden.
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Die Metallabdichtung 6 kann dabei die Isolierschicht 5 nahtlos umgeben oder aber auch geschweißt, gelötet oder geklebt sein.
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Der erfindungsgemäße Piezoelementstapel 3 weist somit einen festen geometrisch geformten Kunststoffüberzug in Form der Isolierschicht 5 auf, der nach außen durch die Metallabdichtung 6 ummantelt ist. Hierbei können die auftretenden Scherkräfte über die Isolierschicht 5 an die Metallabdichtung 6 abgeleitet werden. Durch die besondere Ausbildung der Metallabdichtung 6, die generell als „athermal” beschrieben werden kann, dehnt sich die Metallabdichtung 6 unter Temperaturdehnung gerade so aus, dass das eingeschlossene Volumen dem der Volumenänderung der eingeschlossenen Materialien (Isolierschicht 5 und Piezoelementstapel 3) entspricht. Hierdurch können Spannungen innerhalb der Metallabdichtung 6 reduziert werden, wobei durch die dreidimensionale Ausbildung diese nicht generell null sein können. Eine axiale Längenänderung eines vorgegebenen Hubes des Piezoelementstapels 3 muss demzufolge in eine laterale Dehnung teilweise umgerechnet werden und stellt an die Eigenschaften der Isolierschicht 5 hinsichtlich Schervermögen (Formänderungsarbeit) besondere Anforderungen. Hierzu muss die Isolierschicht eine niedrige Scherfestigkeit aufweisen. Für eine dynamische Beanspruchung sollte ein Sicherheitswert von zwei vorgehalten werden, der mit 109 Lastwechseln im Rahmen einer Dauerfestigkeitsprüfung gesondert nachgewiesen werden sollte. Ein Abstand zwischen der Isolierschicht 5 und dem Piezoelementstapel 3 ist dabei abhängig vom Schervermögen des Füllmaterials und des Wärmeausdehnungskoeffizient der Isolierschicht 5.
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Durch die erfindungsgemäße athermale Auslegung der vorgegebenen Geometrie ist ein eingeschlossenes Volumen der Metallabdichtung 6 gleich dem Volumen des Piezoelementstapels 3 und der Isolierschicht 5 unter homogener Temperaturbelastung und/oder vorgegebenen Temperaturgradienten. Als Werkstoff für die Metallabdichtung 6 kommt beispielsweise CuBe2 (2.1247), 1.4568 und 1.4510 in Betracht und andere Materialien deren Dehnung = δmax/E > 0,3% beträgt. Die Metallabdichtung 6 selbst wird in eingebautem Zustand an eine Masse angelegt oder aber elektrisch isoliert. Die Temperaturbeständigkeit der Isolierschicht 5 ist dabei so hoch, dass eine Schweißung bzw. Lötung oder Klebung von nicht näher beschriebenen Kopfstücken problemlos möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007004552 A1 [0002]
- US 7145482 B2 [0003]
- WO 2007/102088 A2 [0004]
