DE19856186A1 - Piezoelektrischer Aktor - Google Patents

Piezoelektrischer Aktor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1), insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (1) an einem Aktorfuß (6) festgelegt ist und der Aktorkörper (1) unter Einhaltung eines Zwischenraums (7) von einer Modulwand (2) umgeben ist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Zwischenraum (7) mit einem elastischen oder plastischen, elektrisch isolierenden Stoff (3) guter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt ist, der wenigstens im Temperaturbereich unter der Betriebstemperatur des Aktors fest ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers an einem Aktorfuß festgelegt ist und der Aktorkörper unter Einhaltung eines Zwischenraums von einer Modulwand umgeben ist.
Ein derartiger piezoelektrischer Aktor ist zum Beispiel bekannt aus der DE 196 50 900 Al der Robert Bosch GmbH.
Wie allgemein bekannt, können piezoelektrische Aktoren zum Beispiel für Einspritzventile eines Kraftfahrzeugmotors sowie in Bremssystemen mit Antiblockiersystem und Antischlupfregelungen eingesetzt werden.
Derartige mit piezoelektrischen Aktoren ausgestattete Einspritzventile besitzen eine durch ein stößelartiges Verschlussorgan gesteuerte Einspritzdüse. Am Stößel ist eine düsenseitige Wirkfläche angeordnet, die vom Druck des der Düse zugeführten Kraftstoffs beaufschlagt wird, wobei die Druckkräfte den Stößel in Öffnungsrichtung des Verschlussorganes zu drängen suchen. Der Stößel ragt mit einem plungerartigen Ende, dessen Querschnitt größer ist als die vorgenannte Wirkfläche, in eine Steuerkammer hinein. Der dort wirksame Druck sucht den Stößel in Schließrichtung des Verschlussorganes zu bewegen. Die Steuerkammer ist über eine Eingangsdrossel mit der unter hohem Druck stehenden Kraftstoffzufuhr und über ein in der Regel gedrosseltes bzw. mit einer Ausgangsdrossel kombiniertes Auslassventil mit einer nur geringen druckaufweisenden Kraftstoffrückführleitung verbunden. Bei geschlossenem Auslassventil steht in der Steuerkammer ein hoher Druck an, durch den der Stößel gegen den Druck an seiner düsenseitigen Wirkfläche in Schließrichtung des Verschlussorganes bewegt bzw. in Verschlussstellung gehalten wird. Beim Öffnen des Auslassventils fällt der Druck in der Steuerkammer ab, wobei das Maß des Druckabfalles durch die Bemessung der Eingangsdrossel und des Drosselwiderstandes des geöffneten Ausgangsventiles bzw. der damit kombinierten Ausgangsdrossel bestimmt wird. Im Ergebnis vermindert sich der Druck in der Steuerkammer bei geöffnetem Auslassventil derart, dass der Stößel aufgrund der an seiner düsenseitigen Wirkfläche wirksamen Druckkräfte in Öffnungsrichtung des Verschlussorgans bewegt bzw. in Offenstellung gehalten wird.
Im Vergleich mit elektromagnetisch betätigten Einspritzventilen können piezoelektrische Aktoren schneller schalten. Allerdings muss beim Aufbau eines piezoelektrischen Aktors beachtet werden, dass durch innere Verluste im piezoelektrischen Körper des Aktors Verlustwärme entsteht, die abgeführt werden muss, damit sich der Aktor nicht überhitzt. Da die Keramikmaterialien der Piezokeramik eine schlechte Wärmeleitfähigkeit haben, ist die Ableitung innerhalb des im wesentlichen aus Keramikmaterial bestehenden Aktorkörpers ungünstig.
Die durch den Aktor erzeugte Wärme staut sich im Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und der Modulwand, wenn darin nur Luft vorhanden ist.
Eine Kühlung des Aktors mit einem flüssigen Kühlmittel, wie z. B. Kraftstoff, Wasser, Motoröl und dergleichen, ist ebenfalls ungünstig, zum einen, wegen der Gefahr eines Kurzschlusses durch den auch im Kraftstoff und im Motoröl enthaltenen Wasseranteil und zum anderen, wegen der Verteuerung des Aktormoduls aufgrund aufwendiger Abdichtungen, um eine Leckage des verwendeten Kühlmittels insbesondere bei der Erwärmung des Aktors auszuschließen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen piezoelektrischen Aktor so zu ermöglichen, dass eine Kühlung im Betrieb desselben ohne ein flüssiges Kühlmittel, wie z. B. Motoröl, Wasser oder Kraftstoff, möglich ist, dass der piezoelektrische Aktor einfach montiert werden kann und keine besonderen Dichtungen, wie bei einer Flüssigkeitskühlung, notwendig sind.
Ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Aktor hat somit den Vorteil, dass der erwärmte Aktorkörper ohne Kraftstoff, Motoröl oder Wasser, d. h. ohne die Gefahr der Erzeugung eines Kurzschlusses infolge des Wasseranteils und auch ohne Leckagegefahr, gekühlt werden kann.
Erfindungsgemäß ist dazu der Zwischenraum zwischen dem Aktorkörper und der Modulwand mit einem elastischen oder plastischen, elektrisch isolierenden Stoff guter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt, der wenigstens im Temperaturbereich unter der Betriebstemperatur des Aktors fest ist. Bei einem solchen Stoff als Kühlmedium entfällt die Gefahr der Leckage.
Die Kühlung aufgrund der Wärmeleitung durch den mit dem elektrisch isolierenden Feststoff ausgefüllten Zwischenraum radial direkt in die z. B. metallische Modulwand erhöht den Kühleffekt im Vergleich mit einer Wärmeableitung ausschließlich in den Aktorfuß.
Vorteilhafterweise sind dem Stoff Gas- oder Luftblasen beigegeben, die eine hohe Druckbildung im Inneren des Aktormoduls verhindern.
Die Viskosität des als Kühlmedium dienenden Stoffs kann entweder so gewählt sein, dass dieser auch bei Erwärmung nicht in einen tropfbaren flüssigen Zustand übergeht, oder alternativ so, dass der Stoff, z. B. ein Wachs bei höheren Temperaturen, die zwischen 50°C und 100°C liegen können, in den flüssigen Zustand übergeht. Die Bildung der Flüssigphase des Stoffs bei höherer Temperatur intensiviert die Kühlung und die Kühlung bleibt ausreichend hoch.
Bei Raumtemperatur und darunter zeigt der Aktor etwas geringeren Hub. Die Phase des geringeren Hubes wird durch eine schnellere Erwärmung rasch durchfahren.
Im festen Zustand des Stoffs ist die Kühlung nur mäßig, d. h., der Aktor geht sehr schnell durch Eigenerwärmung in den Betriebszustand mit höherem Hub über, bevor dann die Kühlung durch Verflüssigung des Stoffs einsetzt.
Bevorzugt ist Sorge getragen, dass der Zwischenraum des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors nicht vollständig vom Stoff ausgefüllt ist, so dass sich letzterer bei Erwärmung des Aktors in einen Luft oder Gas enthaltenden Raum ausdehnen kann.
Damit keine Behinderung des Aktorhubs eintritt, ist die Modulwand, die z. B. aus Metall besteht, innen mit einer Antihaftbeschichtung beschichtet, welche die Haftung des Stoffs an der Wand verhindert.
Auch die Oberfläche des Aktorkörpers kann mit einer solchen, z. B. aus PTFE bestehenden, Antihaftbeschichtung versehen sein.
Weiterhin bevorzugt ist der Aktorfuß durch ein Dichtmittel, z. B. einen Klebstoff, gegen den den Stoff enthaltenden Zwischenraum abgedichtet, so dass der verflüssigte Stoff nicht aus dem Aktormodul austreten kann.
Nachstehend werden weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung in der nachfolgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreibenden Beschreibung deutlich, wenn diese bezugnehmend auf die Zeichnung gelesen wird.
Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors, jeweils in Form einer schematischen Längsschnittdarstellung.
Ausführungsbeispiele
Bei dem in Fig. 1 als Teilschnitt in Längsrichtung dargestellten ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors ist ein Aktorkörper 1, der die Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten haben kann, mit seiner unteren Stirnseite an einem Aktorfuß 6 festgelegt und unter Einhaltung eines Zwischenraums 7 von einer Modulwand 2 umgeben. Ein linksseitiges und rechtsseitiges Federband 12 spannt den Aktorkörper 1 zwischen dem Aktorfuß 6 und einem oberen (nicht bezeichneten) Ringflansch elastisch vor.
Wenn der Aktorkörper 1 mit einer pulsierenden elektrischen Spannung an seinen Elektroden beaufschlagt wird, führt er analog pulsierende Hübe unter Änderung des Abstandes zwischen seinen zwischen dem oberen Ringflansch und dem Aktorfuß 6 durch die Federbänder 12 eingespannten Stirnseiten aus. Diese Hübe werden über einen Kolben 10 auf die (nicht dargestellte) Nadel eines Ventils übertragen (siehe Wirkungspfeil S). Zu bemerken ist außerdem, dass die Elektrodenzuleitungen nach unten zu nicht näher bezeichneten Anschlussklemmen geführt sind.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Zwischenraum 7 zwischen dem Aktorkörper 1 und der metallischen Modulwand 2 mit einem niedrigviskosen Elastomer 3 oder einem anderen elastischen Feststoff gefüllt, der elektrisch isolierend ist. Außerdem sind, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wärmeleitfähige Partikel 4 dem elastischen Feststoff 3 zugemischt.
Der Feststoff 3 ist elastisch und hat niedrige Viskosität, um die Hübe des Aktorkerns nicht zu behindern. Um der unterschiedlichen Wärmeausdehnung des Feststoffs 3 gegenüber den sonstigen Komponenten zu begegnen, sind ihm noch Gas- oder Luftblasen 5 beigegeben, damit bei der Erwärmung des Aktors keine hohen Drücke entstehen. Die Gas- oder Luftblasen können auch gesammelt in einem größeren Volumen vereinigt werden.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Beschaffenheit des Feststoffs 3, d. h. des Elastomers, so gewählt, dass er über den gesamten Betriebstemperaturbereich das Aktors noch nicht in einen tropffähigen, flüssigen Zustand übergeht. Dadurch ist kein besonderer Aufwand zur Abdichtung des Aktorfußes 6 notwendig.
Zu bemerken ist in Fig. 1 auch, dass der Feststoff 3 ggf. mit den wärmeleitfähigen Partikeln 4 und den Luftblasen 5 auch den Raum über dem oberen Ringflansch, d. h. den Raum 11 um den Kolben 10 herum ausfüllt, da dieser Raum nicht gegenüber dem unteren Teil des Zwischenraums 7 abgeschlossen ist.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Aktors verbessert die Kühlung dadurch weiter, dass der Zwischenraum 7 durch einen Stoff 3, z. B. ein Wachs, ausgefüllt ist, welcher bzw. welches bei höheren Temperaturen, z. B. im Bereich 50°C bis 100°C, in den flüssigen Zustand übergeht. Damit ist eine schnelle Aufheizung des Aktors auf Betriebstemperatur und danach eine intensive Kühlung aufgrund des flüssigen Zustands des als Wärmeleitmedium dienenden Stoffes 3 erreicht. Bei Demontage hat man keine Wieder-Befüll- Probleme, da im abgekühlten Zustand der Stoff 3 in festem Zustand ist. Verglichen mit dem elastischen wärmeleitenden Feststoff 3 der Fig. 1 zeigt der als Wärmeleitmittel dienende Stoff 3 der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsart eher plastische Eigenschaft, wenn dafür ein Wachs gewählt ist.
Im oberen Teil, d. h. in dem den Kolben 10 umgebenden Raum 11, ist gemäß Fig. 2 eine Luft- oder Gasfüllung vorgesehen, die ihrerseits zur Dehnungsaufnahme bei Wärmedehnung des Stoffs 3 dient.
Damit der Stoff 3 im festen Zustand nicht die Aktordehnung behindert, ist die Wand 2 des Aktormoduls innen mit einer Antihaftbeschichtung 9 versehen, die die Haftung des Stoffs 3 an der Innenwand verhindert. Diese Antihaftbeschichtung kann z. B. aus PTFE, z. B. Teflon (Geschützte Marke) bestehen. Auch die Oberfläche des Aktorkörpers 1 kann mit einer solchen Antihaftbeschichtung versehen sein.
Vorteil ist, dass bei tiefen Temperaturen (bis -40°C) das Kühlmedium 3 sich durch Zusammenziehen von der Wand löst, die Wärmeleitfähigkeit dadurch zusätzlich verschlechtert wird und damit der Aktor 1 schneller auf Betriebstemperatur kommt. Dies gilt auch für Fig. 1 bei Füllung mit dem Elastomer 3 und Antihaftbeschichtung der Innenwand von 2.
Zu erwähnen ist außerdem, dass bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des piezoelektrischen Aktors die Bodenplatte 6 wegen der Flüssigphase des Kühlmittels 3 durch ein Dichtmittel 8, z. B. durch Klebstoff abgedichtet ist.
Somit intensiviert bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die Bildung einer Flüssigphase des Feststoffs 3 die Kühlung bei höherer Temperatur ins besondere bei Betriebstemperatur. Bei Raumtemperatur und darunter kann der Aktorkörper 1 einen geringeren Hub zeigen. Im festen Zustand des Stoffs 3 ist die Kühlwirkung durch Wärmeleitung des Stoffs 3 vermindert, d. h. der Aktorkörper 1 geht sehr schnell durch Eigenerwärmung in seinen Betriebszustand mit höherem Hub über, bevor dann die Kühlung durch Verflüssigung des Stoffs 3 einsetzt.
Die Antihaftbeschichtung der Modulwand 2 und eventuell auch der Wand des Aktorkörpers 1 verhindert eine mögliche Hubabsenkung des Aktors durch den Stoff 3.

Claims (14)

1. Piezoelektrischer Aktor, insbesondere zur Betätigung von Steuerventilen oder Einspritzventilen an Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Aktorkörper (1) insbesondere in Form eines vielschichtigen Laminats aus aufeinandergeschichteten Lagen piezoelektrischen Materials und dazwischenliegenden metallischen bzw. elektrisch leitenden, als Elektroden dienenden Schichten, wobei eine der Stirnseiten des Aktorkörpers (1) an einem Aktorfuß (6) festgelegt ist und der Aktorkörper (1) unter Einhaltung eines Zwischenraums (7) von einer Modulwand (2) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (7) mit einem elastischen oder plastischen, elektrisch isolierenden Stoff (3) guter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt ist, der zumindest im Temperaturbereich unter der Betriebstemperator des Aktors fest ist.
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Zwischenraum (7) ausfüllende Stoff (3) ein Feststoff aus einem niedrigviskosen Elastomer ist.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff (3) mit wärmeleitfähigem Füllstoff (4) gefüllt ist.
4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Feststoff (3) Gas- oder Luftblasen (5) beigegeben sind.
5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Stoffs (3) so gewählt ist, dass dieser auch bei Erwärmung nicht in einen tropfbaren flüssigen Zustand übergeht.
6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als wärmeleitender Stoff (3) ein solcher gewählt ist, der bei höheren Temperaturen in den flüssigen Zustand übergeht.
7. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigungstemperatur des Stoffs (3) zwischen 50°C und 100°C gewählt ist.
8. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff (3) ein Wachs ist.
9. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (7) nicht vollständig vom Stoff (3) ausgefüllt ist, so dass sich letzterer bei Erwärmung in einen Luft oder Gas enthaltenden Raum (11) ausdehnen kann.
10. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulwand (2) innen mit einer Antihaftbeschichtung (9) beschichtet ist, welche die Haftung des Stoffs (3) an der Wand verhindert.
11. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Aktorkörpers (1) mit einer Antihaftbeschichtung (9) versehen ist.
12. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftbeschichtung (9) aus PTFE besteht.
13. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktorfuß (6) gegen den den Stoff (3) enthaltenden Zwischenraum (7) durch ein Dichtmittel abgedichtet ist.
14. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel ein Klebstoff ist.
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