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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung
der ferroelektrischen Langlebigkeit. Die Vorrichtung und das Verfahren
betreffen ferroelektrische Materialien und ihre Verwendung in piezoelektrischen
Aktuatoren in Brennstoffeinspritzsystemen und insbesondere die Reduktion der
Ermüdung
in solchen piezoelektrischen Aktuatoren.
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Die
Verwendung von piezoelektrischen Aktuatoren in Brennstoffeinspritzsystemen
ist gut dokumentiert. 1 ist eine Schnittdarstellung
einer bekannten Brennstoffeinspritzeinrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine.
Die Einspritzeinrichtung 1 umfasst einen piezoelektrischen
Aktuator 2 mit einen piezoelektrischen Stapel 4,
der in einer Ummantelung oder Verkapselung 6, die typischerweise
polymer oder metallisch ist, beherbergt ist, um den Aktuator 2 vor
seiner Umgebung zu schützen.
Der eingeschlossene Aktuator 2 ist innerhalb eines Brennstoffvolumens
angeordnet, das als das Stapelvolumen 8 bezeichnet wird
und im Gebrauch mit Brennstoff bei Einspritzdrücken gefüllt wird. Der Aktuator 2 ist
mit einer Ventilnadel 10 gekoppelt, um eine Bewegung der Nadel 10 in
Richtung ihres Sitzes 12b und von diesem weg zu steuern,
um somit die Lieferung von Brennstoff durch Brennstoffkanäle 12a in
der Düse 12 hindurch
an einen Zylinder einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) zu steuern.
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Der
piezoelektrische Stapel 4 umfasst eine mehrschichtige Struktur 14,
wobei ein Abschnitt davon in 2 gezeigt
ist. Die mehrschichtige Struktur 14 umfasst eine Vielzahl
von relativ dünnen,
ferroelektrischen keramischen Schichten 16, die durch eine Vielzahl
von inneren Elektroden, die eine erste und eine zweite Elektrodengruppe 18a, 18b bilden,
getrennt sind. Ein Beispiel für
ein ferroelektrisches Material, das in piezoelektri schen Aktuatoren
verwendet wird, ist Bleizirkonat-Titanat, allgemein als PZT bezeichnet
(Pb(ZrxTi1-x)O3).
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Die
Elektroden der ersten Gruppe 18a greifen in die Elektroden
der zweiten Gruppe 18b ein. Die Elektroden der ersten Gruppe 18a sind
mit einer ersten äußeren Elektrode 20a verbunden
und die Elektroden der zweiten Gruppe 18b sind mit einer
zweiten äußeren Elektrode 20b verbunden.
Im Gebrauch empfangen die erste und die zweite äußere Elektrode 20a, 20b eine
angelegte Spannung, die ein intermittierendes elektrisches Feld
zwischen benachbarten, ineinander greifenden Elektroden 18a, 18b erzeugt, das
bewirkt, dass sich der Stapel 4 entlang der Richtung des
angelegten Felds ausdehnt und zusammenzieht. Im Ergebnis wird die
Ventilnadel 10 betätigt,
um so eine Einspritzung in den zugeordneten Motorzylinder zu steuern.
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Um
eine Flächenverkürzung zwischen
exponierten Elektroden zu verhindern, kann der piezoelektrische
Aktuator z. B. mithilfe der Verkapselung oder zusätzlich dazu
passiviert sein.
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Im
Gebrauch in einem piezoelektrischen Aktuator wird das PZT Sauerstoff
in seine Umgebung freisetzen, was zu Sauerstoffleerstellen in dem
ferroelektrischen Material führt.
Eine Sauerstoffleerstelle ist ein Punktdefekt in dem ferroelektrischen
Material, der eine elektrische Ladung trägt, die zwei Elektronen entspricht
und diesen entgegengesetzt ist. Nach etwa 109 Betätigungen
des piezoelektrischen Stapels sind etwas 5 × 10–3 Mol
(1 ml) Sauerstoff freigesetzt; wobei eine Betätigung als eine Ausdehnung
des Stapels gefolgt von einer Kontraktion definiert ist.
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Auf
Grund der Tatsache, dass der Aktuator in einen Brennstoff eingetaucht
ist, wodurch verhindert wird, dass Luft oder Sauerstoff das PZT erreicht
und die verlorenen Sauerstoffatome ersetzt, nimmt die Anzahl der
Sauerstoffleerstellen in einer gegebenen Probe auf PZT mit der Zeit
zu. Demzufolge nimmt die Fähigkeit
des PZT, sich piezoelektrisch zu verhalten ab, bis der Aktuator
schließlich
versagt. Man nimmt an, dass die Ermüdung, die der piezoelektrische
Aktuator erfährt,
proportional zu der Anzahl der in dem ferroelektrischen Material
vorhandenen Sauerstoffleerstellen ist. Man nimmt ebenfalls an, dass
Chemikalien, die in der Verkapselungsschicht enthalten sind, die
Bildung von Sauerstoffleerstellen verschlimmern.
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Das
Problem der Ermüdung
bei piezoeletkrischen Aktuatoren auf Grund der Reduktion der Konzentration
von Sauerstoff in PZT wird in der US-Patentanmeldung Nr. US 2003/0 141 786
A1 angesprochen. Diese Veröffentlichung
offenbart einen piezoelektrischen Stapel, in dem seine inneren,
ineinander greifenden Elektroden ein elektrisch leitendes Oxid umfassen,
um die Anzahl der Sauerstoffleerstellen zu reduzieren.
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Selbstverständlich ist
eine durch Sauerstoffleerstellen in ferroelektrischen Materialien
verursachte Ermüdung
nicht auf PZT beschränkt
und tritt auch in anderen, ähnlichen
piezoelektrischen Materialien, die Sauerstoff enthalten, auf, z.
B. Bariumtitanat, Lithiumniobat und Lithiumtantalat.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren bereitzustellen, die das zuvor erwähnte Problem
einer in ferroelektrischen Materialien durch Sauerstoffleerstellen
verursachten Ermüdung
zu vermindern oder zu beseitigen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein piezoelektrischer Aktuator zur Verwendung in einem Brennstoffeinspritzsystem
einer Brennkraftmaschine vorgesehen, wobei der Aktuator umfasst:
einen Stapel aus ferroelektri schen Schichten; eine Verkapselung
zum Schutz des Stapels vor dem Eindringen von Flüssigkeit; und ein Sauerstoffanreicherungsmittel zur
Lieferung von Sauerstoff an die ferroelektrischen Schichten, wobei
das Mittel zwischen der Verkapselung und dem Stapel positioniert
ist.
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Mithilfe
der vorliegenden Erfindung, in der Sauerstoff verfügbar ist,
um an das ferroelektrische Material geliefert zu werden, ist es
möglich,
eine Sauerstoffleerstellenbildung in dem Material zu vermindern
und somit die Lebensdauer des Aktuators zu verlängern.
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In
der vorliegenden Erfindung wird das Sauerstoffanreicherungsmittel
während
der Fertigung nicht auf die Oberflächen der inneren Elektroden
des Stapels aufgebracht, wie in der
US 2003/0 141 786 A1 offenbart.
Stattdessen kann in der vorliegenden Erfindung ein standardmäßiger, massenproduzierter piezoelektrischer
Stapel verwendet werden, an dem das Sauerstoffanreicherungsmittel
zwischen dem Stapel und der Verkapselung positioniert wird. Somit ist
die Effizienz der Produktion von piezoelektrischen Stapeln, die
ein Mittel zum Reduzieren von Sauerstoffleerstellen enthalten, erhöht und die
zugehörigen Kosten
sind reduziert.
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Des
Weiteren wird, da das Sauerstoffanreicherungsmittel nicht auf die
inneren Elektroden des Stapels aufgebracht wird, der spezifische
Widerstand der inneren Elektroden nicht beeinträchtigt. Daher gibt es im Gegensatz
zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik keine obere Grenze für die Menge an
Sauerstoffanreicherungsmittel, das auf den Stapel aufgebracht werden
kann, bevor das durch die inneren Elektroden erzeugte elektrische
Feld negativ beeinflusst wird. Da die Lebensdauer des Aktuators
zumindest teilweise von der Menge an Sauerstoff abhängig ist,
die dem Stapel geliefert werden kann, ist die Lebensdauer des Aktuators
der vorliegenden Erfindung auf diese Weise nicht begrenzt.
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Das
Sauerstoffanreicherungsmittel zur Lieferung von Sauerstoff, um die
in dem ferroelektrischen Material des Stapels vorhandenen Sauerstoffleerstellen
zu füllen,
kann ein Oxidationsmittel sein. Ein Oxidationsmittel ist eine Chemikalie
oder Verbindung, die Sauerstoff freisetzt.
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Vorzugsweise
setzt das Oxidationsmittel Sauerstoff an oder in Richtung der oberen
Grenze der Betriebstemperatur des Aktuators frei. Ein Beispiel für solch
ein Oxidationsmittel ist Kaliumpermanganat. Oxidationsmittel, die
Sauerstoff nur in der Nähe
der oberen Grenze der Betriebstemperatur des Aktuators freisetzen,
reduzieren die Wahrscheinlichkeit, dass überschüssiger Sauerstoff, d. h. Sauerstoff,
der keine Sauerstoffleerstellen füllt, freigesetzt wird. Wie
einzusehen sein wird, kann jeder Überschuss von Sauerstoff, der
durch das Oxidationsmittel freigesetzt wird, infolge der Bildung
von Gastaschen unterhalb der Verkapselung den Betrieb des Aktuators
behindern.
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Alternativ
kann das Oxidationsmittel Sauerstoff bei oder in der Umgebung der
typischen Betriebstemperatur des Aktuators freisetzen. Die typische Betriebstemperatur
eines Aktuators in einem Brennstoffeinspritzsystem liegt bei etwa
90°C. Ein
Beispiel für
ein Oxidationsmittel, das Sauerstoff bei dieser Temperatur freisetzt,
ist Ammoniumpersulfat. Ein Oxidationsmittel, das Sauerstoff bei
der typischen Betriebstemperatur des Aktuators freisetzt, sorgt
für eine
kontinuierliche Lieferung von Sauerstoff an das ferroelektrische
Material, wenn der Aktuator in Gebrauch ist, anstatt Sauerstoff
nur dann freizusetzen, wenn die obere Grenze der Betriebstemperatur
des Aktuators erreicht ist. Dadurch wird Sauerstoff an das ferroelektrische
Material bereitgestellt, wenn sich Sauerstoffleerstellen bilden.
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Um
die Freisetzung von Sauerstoff weiter zu modifizieren, kann der
piezoelektrische Aktuator ferner einen negativen Katalysator umfassen.
Ein negativer Katalysator ist dem Fachmann als ein Inhibitor bekannt.
Als ein Beispiel dient Mangandioxid auch als ein Inhibitor für Kaliumpermanganat.
Durch Kombinieren des negativen Katalysators und des Oxidationsmittels
wird die Rate, mit der Sauerstoff durch das Oxidationsmittel freigesetzt
wird, verringert und demzufolge wird die betriebsfähige Lebensdauer
des Aktuators verlängert.
Darüber
hinaus lässt
eine Mäßigung von
Oxidationsmitteln mit negativen Katalysatoren zu, dass mehr Oxidationsmittel
in den Aktuator gefüllt
wird, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich Gastaschen unter der
Verkapselung bilden.
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Als
eine Alternative zu chemischen Oxidationsmitteln kann das Sauerstoffanreicherungsmittel Aktivkohle
umfassen. Aktivkohle (auch als aktivierte Kohle bekannt) ist wegen
ihrer großen
Oberfläche, typischerweise
zwischen 300 und 2000 m2 pro Gramm, extrem
porös.
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Die
Aktivkohle kann mit Sauerstoff behandelt und dann in dem Aktuator
verwendet werden, um Sauerstoff an das ferroelektrische Material
zu liefern. Auf Grund der relativ kleinen Menge von Sauerstoff, die
durch das ferroelektrische Material freigesetzt wird, ist das erforderliche
Volumen an Aktivkohle klein genug, um zuzulassen, dass es neben
dem ferroelektrischen Material und unterhalb der Verkapselung positioniert
wird, ohne dass es notwendig ist, die Brennstoffeinspritzeinrichtung
neu auszubilden.
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Alternativ
kann das durch die Aktivkohle gelieferte Gas Distickstoffoxid sein,
aber der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit halber kann das Gas
einfach Luft sein.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Sauerstoffanreicherungsmittel
in poröses
Mineralgranulat imprägniert
sein. Dieses Granulat kann direkt in Kontakt mit dem ferroelektrischen
Material unterhalb der Verkapselung angeordnet sein.
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Der
Aktuator kann ferner ein Gewebe umfassen, das eine Schicht zwischen
der Verkapselung und dem Stapel bildet. Das Gewebe ist vorzugsweise nicht
brennbar und das Sauerstoffanreicherungsmittel kann in das Gewebe
imprägniert
sein, um sicherzustellen, dass Sauerstoff gleichmäßig an das
ferroelektrische Material geliefert wird. Das Sauerstoffanreicherungsmittel
kann direkt in das Gewebe imprägniert
werden oder indirekt imprägniert
werden, z. B. indem das poröse
Mineralgranulat an dem Gewebe angebracht wird.
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Die
Verwendung eines Gewebes kann auch verhindern, dass die Verkapselung
in direkten Kontakt mit dem ferroelektrischen Material gelangt;
dadurch wird die Verschlimmerung der oben beschriebenen Sauerstoffleerstellenbildung
reduziert.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das Sauerstoffanreicherungsmittel
in einem Behälter
wie z. B. einem Beutel gehalten sein, der vorzugsweise unter der Verkapselung
positioniert ist.
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Alternativ
kann das Sauerstoffanreicherungsmittel mit einem Elastomer gemischt
sein und als eine Flüssigkeit
auf dem Stapel aufgebracht werden, wo es aushärtet und eine Schicht zwischen
der Verkapselung und dem Stapel bildet. Das Elastomer ist vorzugsweise
nicht brennbar.
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Der
Aktuator der obigen Ausführungsformen kann
ferner eine erste keramische Dichtung, die an einem Ende des Stapels
positioniert ist, und eine zweite keramische Dichtung umfassen,
die an dem anderen Ende des Stapels positioniert ist. Vorzugsweise
bildet die Verkapselung eine feste Abdichtung mit der ersten und
der zweiten keramischen Dichtung. Die ferroelektrischen Schichten
des Stapels können
durch innere Elektroden getrennt sein, die vorzugsweise eine erste
Gruppe und eine zweite Gruppe von Elektroden bilden.
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Die
Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Brennstoffeinspritzeinrichtung nach dem Stand der Technik für eine Brennkraftmaschine
veranschaulicht, die einen piezoelektrischen Aktuator umfasst;
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2 einen
Abschnitt eines mehrschichtigen piezoelektrischen Stapels veranschaulicht;
und
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3 eine
Schnittdarstellung eines piezoelektrischen Aktuators gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist.
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Die
Brennstoffeinspritzeinrichtung von 1 und der
Abschnitt eines mehrschichtigen piezoelektrischen Stapels von 2 wurden
bereits beschrieben.
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Ein
piezoelektrischer Aktuator 21 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist in 3 gezeigt. Ein piezoelektrischer
Stapel 34 ist an einem Ende an eine obere keramische Dichtung 26 und
an seinem anderen Ende an eine untere keramische Dichtung 24 gekoppelt.
Die untere keramische Dichtung 24 ist geeignet, um mit
einer Einspritzeinrichtungsnadel (nicht gezeigt) zusammenzuwirken.
Die obere keramische Dichtung besitzt einen ersten elektrischen
Anschluss 28a und einen zweiten elektrischen Anschluss 28b,
die sich durch sie hindurch erstrecken. Jeder Anschluss 28a, 28b ist
mit einer entsprechenden ersten und zweiten äußeren Elektrode 30a, 30b verbunden,
die wiederum mit inneren ineinander greifenden Elektroden ähnlich jenen,
die in 2 gezeigt und oben stehend beschrieben sind, verbunden
sind.
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Im
Gebrauch wird eine intermittierende Spannung über den ersten und den zweiten
elektrischen Anschluss 28a, 28b angelegt, die
bewirkt, dass sich der Stapel 34, wie oben beschrieben
ausdehnt und zusammenzieht. Eine Verkapselungsschicht 36 schützt den
Stapel 34 und die äußeren Elektroden 30a, 30b vor
dem in einem Stapelvolumen (nicht gezeigt) enthaltenen unter Druck
stehenden Brennstoff.
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Ein
Gewebe 22 ist um den Stapel 34 gewickelt, sodass
es in Kontakt mit dem ferroelektrischen Material des Stapels 34 steht.
Das Gewebe 22 ist ausreichend dünn, um zuzulassen, dass es
unter der Verkapselung 36 positioniert wird, ohne dass
es notwendig ist, den Aktuator 21 oder seine entsprechende
Brennstoffeinspritzeinrichtung (nicht gezeigt) neu auszubilden,
um ihn unterzubringen. Das Gewebe 22 ist mit Ammoniumpersulfat
als Oxidationsmittel (nicht gezeigt) imprägniert, bevor oder nachdem
es um den Stapel 34 gewickelt wird. Auf Grund der geringen Menge
an Sauerstoff, die durch das ferroelektrische Material während der
Verwendung freigesetzt wird, und der hohen Konzentration an Sauerstoff
in festen Oxidationsmitteln, wird nur eine relativ kleine Menge an
Oxidationsmittel benötigt,
um der Bildung von Sauerstoffleerstellen entgegenzuwirken.
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Die
vorliegende Erfindung kann in weiteren spezifischen Formen ausgeführt sein,
ohne von ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Demgemäß sollte
auf die beiliegenden Ansprüche
und nicht auf die vor hergehende spezifische Beschreibung Bezug genommen
werden, um den Umfang der Erfindung anzuzeigen.