DE602005005205T2

DE602005005205T2 - Aktuatoranordnung

Info

Publication number: DE602005005205T2
Application number: DE602005005205T
Authority: DE
Inventors: Russell Gaines Michigan Bosch; Michael Gillingham Kent Cooke; Christopher Offham Kent Goat
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Operations Luxembourg SARL
Priority date: 2005-11-04
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2025-11-05
Also published as: EP1783842A1; DE602005005205D1; JP5148099B2; US20070103030A1; ES2298960T3; US7687970B2; JP2007129237A; ATE388493T1; EP1783842B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator von dem Typ, der mindestens ein piezoelektrisches Element umfasst. Im Speziellen betrifft die Erfindung einen piezoelektrischen Aktuator zur Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung.
Hintergrund der Erfindung
In einer bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung dient ein piezoelektrischer Aktuators dazu, die Zufuhr von Kraftstoff in einen Verbrennungsraum zu steuern. Der piezoelektrische Aktuator umfasst typischerweise einen Stapel aus piezoelektrischen Elementen, über den im Gebrauch durch einen elektrischen Verbinder eine Spannung angelegt wird. Eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung von diesem Typ wird in dem Patent EP 0 995 901 oder DE 100 46 661 , das dem Antragsteller erteilt wurde, beschrieben.
Es ist bekannt, den piezoelektrischen Stapel innerhalb eines Speichervolumens in der Einspritzeinrichtung anzuordnen, die eingerichtet ist, um im Gebrauch Hochdruck-Kraftstoff zu empfangen. Herkömmlicherweise ist der piezoelektrische Stapel daher während seiner gesamten Lebensdauer in Kraftstoff eingetaucht. Darüber hinaus ist der Aktuator, wenn das Kraftstoffeinspritzsystem in Gebrauch ist, einem Kraftstoff bei einem Verteilerleitungsdruck im Bereich von z. B. 200 bis 2000 Bar ausgesetzt. Um den piezoelektrischen Stapel vor Schaden zu bewahren, ist es wichtig, dass der Stapel innerhalb des Speichervolumens von dem Kraftstoff abgedichtet ist, um das Eindringen von Kraftstoff in die Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Elementen, die den Stapel bilden, zu verhindern. Es ist auch von Bedeutung, den piezoelektrischen Stapel vor Schadstoffen aus der Umwelt wie z. B. Feuchtigkeit zu schützen. Das Vorhandensein eines leitfähigen Fluids wie z. B. Wasser in dem Stapel kann elektrochemische Effekte verursachen und zu einem Kurzschlussschaden führen.
Wenn der Aktuator in einem hydrostatisch unter Druck gesetzten Modus verwendet wird, wie zum Beispiel in dem Patent EP 1 096 137 , das dem Antragsteller erteilt wurde, beschrieben, ist es besonders wichtig, dass der piezoelektrische Stapel vor dem Eindringen des hydrostatischen Druckbeaufschlagungsfluids geschützt ist, da dieses in die Risse in der Struktur wandern könnte und diese dazu bringt, sich zu öffnen.
In der EP 0 995 901 ist der piezoelektrische Stapel mit einer Beschichtung oder Hülse versehen, die aus einem flexiblen Dichtungsmaterial besteht. Die Beschichtung ist dabei hilfreich, die Elemente des piezoelektrischen Stapels gegenüber dem Kraftstoff in dem Speichervolumen abzudichten. Des Weiteren ist die Beschichtung, da sie flexibel ist und der Stapel der Drucklast ausgesetzt ist, die durch den unter Druck stehenden Kraftstoff aufgebracht wird, dabei hilfreich, die Ausbreitung von Rissen in der Struktur zu verringern. Hierfür ist es bekannt, ein Überspritzverfahren, um den piezoelektrischen Stapel innerhalb einer Kunststoffbeschichtung einzukapseln, oder ein Hülsenelement zu verwenden, wie in der dem Antragsteller erteilten Patentanmeldung WO 02/061 856 beschrieben. Die Beschichtung oder Hülse kann auch den elektrischen Verbinder einkapseln, wie in dem dem Antragsteller erteilten Patent EP 1 079 097 beschrieben. Die Hülse ist vorzugsweise aus einem kraftstoffbeständigen Fluorpolymer mit geringer Durchlässigkeit wie zum Beispiel Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) gebildet.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass immer noch ein Eindringen von Fluid in die Grenzfläche zwischen dem Aktuator und der Beschichtung oder Hülse vorhanden sein kann. Zum Beispiel sind die vorstehend erwähnten Hülsen vorzugsweise aus elastischen oder Warmschrumpfmaterialien wie Rohren mit offenen ersten und zweiten Enden gebildet, sodass der Aktuator in das offene Rohr eingesetzt werden kann. Dann wird zugelassen, dass sich das Rohr elastisch zusammenzieht oder es wird dazu gebracht, dass es sich durch die Anwendung von Wärme zusammenzieht, um den Aktuator einzukapseln. Es wird einzusehen sein, dass, wenngleich die Hülse nun eng an dem Aktuator anliegt, das erste und das zweite Ende des Rohres Wege für das Eindringen des Fluids in die Grenzfläche zwischen der Beschichtung und dem eingekapselten Aktuator darstellen.
Es ist bekannt, einen chemischen Klebstoff oder ein Füllstoffmaterial zwischen der Beschichtung und dem eingekapselten Aktuator vorzusehen, wie zum Beispiel in der gleichzeitig anhängigen internationalen Anmeldung WO 02/061 856 des Antragstellers beschrieben. Aber selbst in diesem Fall wurde das Eindringen von Fluid zwischen der Beschichtung und dem Aktuator beobachtet. Die derzeit verwendeten Klebstoffe neigen dazu, durch Kraftstoff zersetzt zu werden und ein Eindringen ist üblicherweise nach weniger als 2000 Stunden zu beobachten. Es ist vernünftig, eine Lebensdauer für eine Einspritzeinrichtung von 15 Jahren (> 130 000 Stunden) zu erwarten. Eine Vielfalt verschiedener Klebstoffe wurde in einem Versuch, eine langlebige Endabdichtung zu erzeugen, erprobt, es war jedoch schwierig, eine durchgehende langlebige Verbindung zu erreichen.
Die Endabdichtung erwies sich auch bei einer Spritzguss-Verkapselung problematisch. Die Vergrößerung des Endabdichtungsleckpfades mit einem Labyrinth führte zu unterschiedlichem Erfolg, allerdings mit dem zusätzlichen Nachteil, dass sie nicht so ohne weiteres mit Keramikkompo nenten verwendet werden kann, ohne dass zusätzliche Kosten verursacht werden. Eine weitere Schwierigkeit bestand in der Tendenz, dass piezoelektrischen Elemente während des Spritzgießens brechen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu vermindern, ohne die Kosten, die Komplexität oder die Größe des Aktuators wesentlich zu vergrößern.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Aktuatoranordnung vorgesehen, die einen piezoelektrischen Aktuator mit einem Körperabschnitt, einer Verkleidung, die zumindest einen Teil des Körperabschnittes des Aktuators umhüllt, und mindestens ein einschränkendes Element, das außen in Bezug auf die Verkleidung angeordnet ist, umfasst. Das mindestens eine einschränkende Element bringt eine einschränkende Kraft auf die Verkleidung auf, um eine Abdichtung zwischen der Verkleidung und dem darunterliegenden Körperabschnitt des Aktuators aufrechtzuerhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verkleidung flexibel. Zweckmäßigerweise stimmt die Verkleidung mit der Kontur des darunterliegenden Körpers überein. Die Verkleidung weist vorzugsweise eine Steckersitzfläche und eine Buchsenfläche des einschränkenden Elements auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Körperabschnitt des Aktuators in der Verkleidung eingesetzt. Die Verkleidung kann die Form einer Hülse aufweisen, und die Hülse kann aus einem Warmschrumpfmaterial bestehen. Alternativ ist die Verkleidung zweckmäßiger weise auf dem Körperabschnitt des Aktuators gebildet. Die Verkleidung kann durch Überspritzen, Lackieren, Eintauchen oder Spritzen gebildet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung steht die Verkleidung in Kontakt mit dem darunterliegenden Körperabschnitt des Aktuators. Alternativ ist mindestens eine Zwischenschicht zwischen der Verkleidung und dem darunterliegenden Körperabschnitt des Aktuators angeordnet. Die Zwischenschicht kann eine Klebstoffschicht oder eine Füllstoffschicht sein. Es können auch mindestens zwei Zwischenschichten mit mindestens einer Klebstoffschicht und mindestens einer Füllstoffschicht vorhanden sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung bringt das einschränkende Element die einschränkende Kraft federnd auf die Verkleidung auf. Das einschränkende Element kann einen Durchmesser aufweisen, der federnd aufgeweitet ist, um den darunterliegenden umhüllten Körperabschnitt des Aktuators unterzubringen.
In einer bevorzugten Ausführungsform bringt das einschränkende Element die einschränkende Kraft auf die Verkleidung durch plastische Verformung auf. Zum Beispiel kann das einschränkende Element aus einem durch Wärme zusammenziehbaren Material hergestellt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das einschränkende Element aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt. Zweckmäßigerweise ist das Material des einschränkenden Elements durch eine martensitische Umwandlung seiner Kristallstruktur verformbar. Das Formgedächtnismaterial kann eine Legierung aus Nickel und Titan wie z. B. NiTiNOL sein. Alternativ kann die Legierung aus Nickel und Titan Ni₃₀Pt₃₀Ti₅₀ sein. Die Legierung aus Nickel und Titan kann auch Eisen enthalten. Vorzugsweise ist Eisen in der Legierung in einem Verhältnis von weniger als etwa 3–4% der Legierung vorhanden.
Zweckmäßigerweise weist die Aktuatoranordnung einen definierten Betriebstemperaturbereich auf und das Formgedächtnismaterial des einschränkenden Elements weist eine definierte martensitische Umwandlungstemperatur auf, die außerhalb dieses Bereiches liegt. Der Betriebstemperaturbereich der Aktuatoranordnung kann zwischen etwa –40°C und etwa +150°C liegen; somit kann die definierte martensitische Umwandlungstemperatur etwa –60°C betragen oder die definierte martensitische Umwandlungstemperatur kann mehr als etwa +150°C betragen. Die martensitische Umwandlungstemperatur liegt daher vorzugsweise über der maximalen Betriebstemperatur oder liegt unter der minimalen Betriebstemperatur der Aktuatoranordnung.
Wenn das einschränkende Element aus einem Formgedächtnismaterial gebildet ist, kann es zweckmäßigerweise ein Ring sein. Der Ring kann einen Innendurchmesser von etwa 7,5 mm und einen Außendurchmesser von etwa 9,5 mm aufweisen. Der Ring kann auch eine Länge von etwa 2 mm in eine Richtung orthogonal zu einem beliebigen Durchmesser des Ringes aufweisen.
Das einschränkende Element ist zweckmäßigerweise allgemein ringförmig. Das einschränkende Element kann einen Querschnitt aufweisen, der eine allgemein gerade Seite definiert, die dem umhüllten Körperabschnitt des Aktuators zugewandt ist. Die gerade Seite kann eine zylindrische Buchsenfläche definieren. Das einschränkende Element kann mindestens eine Wicklung umfassen und kann eine Vielzahl von Wicklungen umfassen. Die Wicklungen der Vielzahl können zusammenwirken, um eine zylindrische Buchsenfläche zu definieren. Ferner kann das einschränkende Ele ment ein gewickeltes Element mit einem Querschnitt umfassen, der eine allgemein gerade Seite definiert, die dem umhüllten Körperabschnitt des Aktuators zugewandt ist, wobei die Seiten von aufeinanderfolgenden Wicklungen ausgerichtet sind, um die zylindrische Buchsenfläche zu definieren. Der Querschnitt des gewickelten Elements kann allgemein länglich sein. Die aufeinanderfolgenden Wicklungen der Vielzahl können zweckmäßigerweise aneinander an liegen. Das einschränkende Element kann vorzugsweise allgemein rohrförmig sein.
Die Erfindung kann auch als ein Verfahren zum Herstellen einer Aktuatoranordnung zum Ausdruck gebracht werden, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen eines piezoelektrischen Aktuators mit einem Körperabschnitt und einer Verkleidung, die zumindest einen Teil des Körperabschnittes umhüllt; und Aufbringen mindestens eines einschränkenden Elements auf das Äußere der Verkleidung, sodass das einschränkende Element eine einschränkende Kraft auf die Verkleidung aufbringt, um eine Abdichtung zwischen der Verkleidung und dem darunterliegenden Körperabschnitt des Aktuators aufrechtzuerhalten.
Das Verfahren kann vorzugsweise umfassen, dass das einschränkende Element aufgeweitet wird, bevor es auf das Äußere der Verkleidung aufgebracht wird, und dass dann zugelassen oder bewirkt wird, dass das einschränkende Element auf die Verkleidung schrumpft.
Das Verfahren kann umfassen, dass das einschränkende Element federnd aufgeweitet wird, bevor es auf das Äußere der Verkleidung aufgebracht wird, und dass dann zugelassen wird, dass das einschränkende Element durch Freisetzen einer elastischen Verformung des einschränkenden Elements auf die Verkleidung schrumpft. Das federnde Aufweiten des einschränkenden Elements kann ausgeführt werden, indem das einschrän kende Element über einen Dorn geschoben wird oder indem ein Aufweitungswerkzeug in das einschränkende Element eingesetzt wird oder indem entgegengesetzte Kräfte auf die freien Enden eines gewickelten einschränkenden Elements aufgebracht werden, sodass sich die Wicklung geringfügig auswickelt.
Alternativ kann, wenn das einschränkende Element aus einer Formgedächtnislegierung mit einer martensitischen Umwandlungstemperatur hergestellt ist, das Verfahren umfassen, dass das einschränkende Element bei einer Temperatur unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur aufgeweitet wird, bevor es auf das Äußere der Verkleidung aufgebracht wird; dann bewirkt oder zugelassen wird, dass die Temperatur des einschränkenden Elements die martensitische Umwandlungstemperatur überschreitet, wonach das einschränkende Element auf die Verkleidung schrumpft. Das einschränkende Element kann zum Beispiel um etwa 8% aufgeweitet werden, bevor es auf die Verkleidung aufgebracht wird. Das Verfahren kann weiter umfassen, dass das aufgeweitete einschränkende Element bei einer Temperatur unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur aufbewahrt wird, bevor es auf das Äußere der Verkleidung aufgebracht wird. Das Verfahren kann ferner auch eine Glühwärmebehandlung des einschränkenden Elements vor seiner Aufweitung umfassen, wobei die Wärmebehandlung vorzugsweise bei etwa 500° Celsius durchgeführt wird. Das Verfahren kann überdies umfassen, dass das einschränkende Element vor seiner Glühwärmebehandlung gebildet wird, wobei das Bilden bei einer Temperatur unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur ausgeführt wird. Vorteilhafterweise kann die Erfindung ferner umfassen, dass zumindest eine Teil des umhüllten Aktuators gekühlt wird, um den Beginn der martensitischen Umwandlung nach Aufbringen des einschränkenden Elements auf das Äußere der Verkleidung zu verzögern.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auf eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Aktuatoranordnung gemäß der Erfindung wie hierin beschrieben oder eine durch das hierin beschriebene Verfahren der Erfindung hergestellte. Die Aktuatoranordnung kann in einem Speichervolumen der Einspritzeinrichtung angeordnet sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine perspektivische Darstellung einer bekannten piezoelektrischen Aktuatoranordnung ist, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine vergrößerte perspektivische Detailansicht eines ersten Endes der Aktuatoranordnung von 1 ist, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 eine vergrößerte Schnittansicht des ersten Endes der Aktuatoranordnung von 1 ist, die die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
4 eine vergrößerte detaillierte Schnittansicht eines Teils des zweiten Endes des Aktuators von 1 ist, der die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
5 eine vergrößerte perspektivische Detailansicht eines ersten Endes einer Aktuatoranordnung entsprechend 1 ist, die jedoch einen ringförmigen Clip in einer zweiten derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
6 eine schematische Darstellung der Änderungen in der Kristallform einer Formgedächtnislegierung ist, die den Formgedächtniseffekt unterstützen;
7a, 7b und 7c schematische Darstellungen eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung eines Clips zur Verwendung in der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie in 5 gezeigt, sind; und
8a und 8b schematische Darstellungen eines bevorzugten Verfahrens zur Montage der Aktuatoranordnung von 5 mit einem ringförmigen Clip gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine Aktuatoranordnung 10, die länglich ist und eine allgemein. zylindrische Form aufweist. Die Anordnung 10 umfasst einen bekannten piezoelektrischen Aktuator 20 mit mindestens einem piezoelektrischen Element (nicht gezeigt) und ist für die Verwendung in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Verbrennungsmotors geeignet.
Der Aktuator 20 umfasst einen allgemein zylindrischen Körperabschnitt 12, umfassend: einen zentralen Hauptabschnitt 13, der einen piezoelektrischen Stapel enthält; und ein erstes und ein zweites Endstück 14 bzw. 16.
Das Endstück 14 an dem ersten Ende des Körperabschnittes 12 umfasst einen elektrischen Verbinder mit einem ersten und einem zweiten Anschluss, der im Gebrauch eine Spannung von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) empfängt. Das Endstück 16 an dem zweiten Ende des Körperabschnittes 12 umfasst ein Lastübertragungselement, das im Gebrauch mit einem Steuerkolben oder einer Ventilnadel (nicht gezeigt) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung zusammenwirkt.
Wie in 2 gezeigt, ist das Endstück 14 innen von dem elektrischen Verbinder an dem ersten Ende des Körperabschnittes 12 schmäler als der Hauptabschnitt 13, sodass das erste Ende des Körperabschnittes 12 im Längsschnitt ein Stufenprofil mit einem Hals 125 und einer Schulter 126 aufweist. Wenngleich in 2 nicht gezeigt, wird einzusehen sein, dass innen von dem Lastübertragungselement an dem zweiten Ende des Körperabschnitts 12 das Endstück 16 schmäler ist als der Hauptabschnitt 13, abgesehen von dem ähnlich schmalen Hals 125 an dem ersten Ende, sodass das zweite Ende des Körperabschnitts 12 im Längsschnitt ein Stufenprofil mit einem Hals 127 und einer Schulter 128 aufweist.
Details zu dem piezoelektrischen Stapel und den inneren Komponenten des Aktuators 20 und eine Beschreibung darüber, wie der Aktuator arbeitet, sind in dem dem Antragsteller erteilten Patent EP 0 995 901 vollständig offenbart und werden daher an dieser Stelle nicht erläutert.
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 sind gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewickelte Clips 30, 40 an dem ersten bzw. dem zweiten Ende des Körperabschnitts 12 vorgesehen. Die aufeinanderfolgenden Wicklungen der Clips 30, 40 liegen aneinander an, sodass jeder Clip 30, 40 einen Ring in der Form eines kurzen, aufweitbaren Rohres definiert.
Wie im Detail in 2 gezeigt, umschließt der Clip 30 den Körperabschnitt 12 an dem Hals 125 außerhalb von der Schulter 126. Überdies wird einzusehen sein, dass der Clip 40 den Körperabschnitt 12 an dem Hals 127 außerhalb von der Schulter 128 umschließt. Die Position der Clips 30 und 40 ist in den Schnittansichten der 3 und 4 in größerem Detail ersichtlich.
Aus den 3 und 4 ist das Vorhandensein einer flexiblen Hülse 50 ersichtlich, die den Körperabschnitt 12 umhüllt und mit dessen Konturen übereinstimmt. Die Hülse 50 erstreckt sich entlang der Länge des Körperabschnitts 12 von dem Endstück 14 zu dem Endstück 16.
Unter Bezugnahme auf 3 ist der Clip 30 außen in Bezug auf die Hülse 50 um den Hals 125 des Körperabschnitts 12 herum positioniert, sodass die Innenfläche des Clips 30 an dem Äußeren der Hülse 50 ruht. Der Clip 30 ist aus einem herkömmlichen Federdrahtmaterial gebildet, das federnd aufweitbar und zusammendrückbar ist, um seinen Innendurchmesser zu ändern. Wenn der Clip 30 um den Hals 125 herum positioniert ist, übt er eine einschränkende Kraft auf die Hülse 50 aus, die ausreicht, um das Innere der Hülse 50 gegen das Äußere des Körperabschnitts 12 zu zwingen. Die einschränkende Kraft ist ausreichend stark, um eine fluiddichte Abdichtung an der Grenzfläche zwischen der Hülse 50 und dem Körperabschnitt 12 unter dem Clip 30 aufrechtzuerhalten.
Aus 4 ist ersichtlich, dass der Clip 40 außen in Bezug auf die Hülse 50 um den Hals 127 herum positioniert ist und eine Abdichtung auf dieselbe Weise bildet, wie für den Clip 30 beschrieben.
Die Clips 30 und 40 umgeben die Hälse 125 bzw. 127 durch mindestens zwei volle Umdrehungen ihrer Wicklungen um den Umfang dieser Gebiete herum. Die gewickelte Form stellt einen großen, im Wesentlichen kontinuierlichen Bereich eines Kontaktdruckes gegen die Hülse 50 unter den Clips 30, 40 bereit, während der Außendurchmesser der Aktuatoranordnung 10 minimiert ist.
Aus den 3 und 4 ist ersichtlich, dass die Clips 30, 40 aus einem Draht mit einem länglichen Querschnitt mit geraden Seiten und abgerundeten Ecken gewickelt sind. Eine derartige Querschnittsform übt einen im Wesentlichen gleichmäßigen Druck auf die Hülse 50 unter den Clips 30, 40 aus. Sie minimiert auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein wendelförmiger Pfad mit geringem Kontaktdruck zwischen den Wicklungen der Clips 30, 40 erzeugt wird, der andernfalls zulassen könnte, dass Fluid in die Grenzfläche zwischen der Hülse 50 und den Hälsen 125, 127 wandert.
Während der Montage wird der Clip 30 aufgeweitet, positioniert und dann wird zugelassen, dass er sich über der Hülse 50 an dem Hals 125 in Position zusammenzieht. Der Clip 40 wird auf ähnliche Art und Weise über der Hülse 50 an dem Hals 127 positioniert. Die Aufweitung kann z. B. mechanisch bewerkstelligt werden, indem der Clip 30, 40 über einen Dorn geschoben wird oder indem ein Aufweitungswerkzeug in den Clip 30, 40 eingesetzt wird oder indem entgegengesetzte Kräfte auf die freien Enden der Wicklung aufgebracht werden, sodass sich die Wicklung geringfügig auswickelt. Sobald der aufgeweitete Clip 30, 40 korrekt über der Hülse 50 an dem Hals 125 oder 127 entsprechend positioniert ist, wird einfach zugelassen, dass er sich elastisch zusammenzieht, um die Hülse 50 einzuschränken und sie gegen den darunterliegenden Körperabschnitt 12 abzudichten.
Unter Bezugnahme auf 5 ist gemäß einer zweiten derzeit bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein ringförmiger Clip 60 an dem ersten Ende des Körperabschnitts 12 des Aktuators 20 vorgesehen. Der Clip 60 umgibt den Körperabschnitt 12 an dem Hals 125 außerhalb von der Schulter 126. Es sollte einzusehen sein, dass ein ähnlicher ringförmiger Der Clip 60 an dem zweiten Ende des Körperabschnitts 12 (in dieser Fig. nicht gezeigt) vorgesehen sein könnte, um den Körperabschnitt 12 an dem Hals 127 außerhalb von der Schulter 128 zu umgeben. Die Clips 60 umgeben die Hälse 125, 127 um eine volle Umdrehung um den Umfang dieser Gebiete.
Die Clips 60 sind außen in Bezug auf die Hülse 50 um die Hälse 125 bzw. 127 des Körperabschnitts 12 herum positioniert, sodass die innere Buchsenfläche eines jeden Clips 60 an der Außenseite der Hülse 50 ruht Wenn die Clips 60 um die Hälse 125, 127 herum positioniert sind, üben sie eine einschränkende Kraft auf die Hülse 50 aus, die ausreicht, um das Innere der Hülse 50 gegen das Äußere des Körperabschnitts 12 zu zwingen. Die einschränkende Kraft ist ausreichend stark, sodass eine fluiddichte Abdichtung an den Grenzflächen zwischen der Hülse 50 und dem Körperabschnitt 12 unter den Clips 60 aufrechterhalten wird.
Die Clips 60 sind aus einem Formgedächtnismaterial gebildet, das zum Beispiel eine Legierung aus Nickel und Titan umfasst. Solch eine Formgedächtnislegierung ist in der Lage, bei einer Temperatur eine deutliche mechanische Verformung zu erfahren, und kehrt bei einem moderaten Anstieg der Temperatur doch in ihre ursprüngliche Form zurück. Dieses Phänomen beruht auf einer thermoelastischen martensitischen Umwandlung. Unter Bezugnahme auf 6 wird einzusehen sein, dass die Legierung bei Temperaturen unter einer definierten martensitischen Umwandlungstemperatur eine martensitische Kristallstruktur aufweist; bei Tempe raturen, die höher sind als die definierte martensitische Umwandlungstemperatur, weist die Legierung eine austenitische Struktur auf. Bei der plastischen Verformung der meisten Metalle und Legierungen beinhaltet die Formänderung die Bewegung von Dislokationen und Gleitebenen. Im Fall der Formgedächtnislegierung erfolgt die Verformung in der martensitischen Niedertemperaturform jedoch durch Reorganisation der Zwillingskristallstruktur. Wenn die verformte martensitische Legierung dann auf eine Temperatur über der martensitischen Umwandlungstemperatur gebracht wird, erfolgt eine Umwandlung zu der austenitischen Kristallstruktur, die frühere Verformung infolge der Zwillingsreorganisation wird umgekehrt und die Legierung kehrt in ihre ursprüngliche Form zurück.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Clips 60 ist in den 7a, 7b und 7c gezeigt. Während der Herstellung wird der Clip 60 in der Größe und Form gebildet, wie er im Gebrauch erforderlich wäre, indem er auf die gewünschten Endabmessungen bei einer Temperatur unter der martensitischen Umwandlungstemperatur kalt bearbeitet wird, wie in 7a gezeigt, gefolgt von einer Glühwärmebehandlung, um die gewünschte Formgedächtnisdehnung herzustellen, wie in 7b gezeigt. Jeder Clip 60 wird dann auf eine Temperatur unter der martensitischen Umwandlungstemperatur zurückgebracht, sodass sich die Kristallstruktur des Clips in der martensitischen Zwillingsform befindet, wonach der Clip 60 mechanisch verformt wird, um seinen Umfang um ungefähr 8% zu vergrößern, wie in 7c gezeigt.
Eine Glühwärmebehandlungstemperatur von etwa 500°C ist typisch, wenn die Absicht besteht, die Formgedächtnisdehnung zu maximieren, wie in „Using Nitinol Allogs", Johnson Matthey, 2004, beschrieben. Es wird einzusehen sein, dass andere Temperaturen verwendet werden können.
Nach der Herstellung können die Clips 60 bei einer Temperatur unter der martensitischen Umwandlungstemperatur aufbewahrt werden, bevor sie auf die Aktuatoranordnung 10 montiert werden.
Ein bevorzugtes Montageverfahren ist in den 8a und 8b gezeigt. Die verformten Clips 60 werden an den Hälsen 125, 127 bei einer Temperatur unter der martensitischen Umwandlungstemperatur über der Hülse 50 positioniert, wie in 8a gezeigt ist. Die positionierten verformten Clips 60 werden dann auf eine Temperatur über der martensitischen Umwandlungstemperatur zurückgebracht oder es wird zugelassen, dass sie dorthin zurückkehren. Wenn die Clips 60 über die martensitische Umwandlungstemperatur gelangen, erfolgt eine thermoelastische Umwandlung, sodass die Kristallstruktur sich von einer martensitischen Struktur in eine austenitische Struktur umwandelt, und der Umfang der Clips 60 abnimmt, wie in 8b gezeigt. Mithilfe der Formgedächtnisumwandlungsdehnung schränken die Clips 60 die Hülse 50 ein und dichten ihre Enden gegen den darunterliegenden Körperabschnitt 12 ab.
Während der Montage, wenn die Zusammensetzung der Formgedächtnislegierung des Clips 60 und die Wärmebehandlungsbedingungen derart gewählt wurden, dass bewirkt wird, dass der Clip 60 eine Martensit/Austenit-Phasenumwandlungsschrumpfung bei –50°C von 8% erfährt, wird eine ausreichender Zwischenraum vorhanden sein, um den Clip 60 in Position über der Hülse 50 und den darunterliegenden Aktuator 10 zu montieren. Es wird einzusehen sein, dass, wenn der umhüllte Aktuator 10 wie auch der Clip 60 bei der Montage abkühlen, der Clip 60 sich langsamer erwärmen wird, was mehr Zeit für die Handhabung ergibt, bevor die durch die Umwandlung induzierte Schrumpfung des Clips 60 stattfindet.
In bevorzugten Ausführungsformen kann erwartet werden, dass die Aktuatoranordnung 10 einen Betriebstemperaturbereich von –40°C bis +150°C aufweist. Es wird einzusehen sein, dass die martensitische Umwandlungstemperatur der Legierung der Clips 60 außerhalb des Arbeitstemperaturbereichs der Aktuatoranordnung 10 liegen muss. Es wird somit auch einzusehen sein, dass das Einpassen der Clips 60 in Position an den Hälsen 125 bzw. 127 des Aktuators 20 bei einer Temperatur außerhalb des Betriebstemperaturbereichs der Aktuatoranordnung 10 erfolgen muss.
Die Formgedächtnislegierung der Clips 60 kann zweckmäßigerweise NiTi-NOL sein, eine Legierung aus Nickel und Titan, die die am häufigsten verwendete Formgedächtnislegierung darstellt. Die wiederherstellbare Verformung von NiTiNOL kann eine Dehnung von 8% für eine Verwendung in einem einzigen Zyklus betragen. Durch Ändern der relativen Anteile von Nickel und Titan in der Legierung kann die martensitische Umwandlungstemperatur von –50 bis +110°C variiert werden. Der Einschluss von zusätzlichen Elementen in der Legierung kann die Umwandlungstemperatur weiter verändern. Zum Beispiel senkt die Einlagerung von 3% bis 4% Eisen in NiTiNOL die Umwandlungstemperatur auf –100°C, wie in „Using Nitinol Allogs", Johnson Matthey, 2004, beschrieben. Zweckmäßigerweise sollte eine NiTiNOL-Legierung mit zugesetztem Eisen, sodass sie eine Umwandlungstemperatur von –60°C aufweist, geeignet sein, da diese um 20°C unter der vorweggenommenen minimalen Betriebstemperatur der Aktuatoranordnung 10 (–40°C) liegt. Dies lässt einen gewissen Raum für Fehler bei der Bewertung der Umwandlungstemperatur der Legierung und für das Auftreten von unerwarteten Temperaturextremen innerhalb der Aktuatoranordnung im Gebrauch, zum Beispiel auf Grund eines extremen Wetters zu.
NiTiNOL ist leicht erhältlich und relativ kostengünstig. In großen Mengen liegen die Kosten für NiTiNOL im Bereich von 100 USD pro kg für einfache Formen wie z. B. flache Ringe, wie in „Using Nitinol Allogs", Johnson Matthey, 2004, beschrieben. Beispielsweise benötigt man für jeden Clip 60, der einen Innendurchmesser von 7,5 mm aufweist, 1 mm dick und 2 mm lang ist, ungefähr 47 mm³ NiTiNOL. Mit diesen Spezifikationen könnten etwa 3300 Clips pro Kilogramm NiTiNOL bei geschätzten Komponentenkosten von weniger als 3 Cent pro Clip hergestellt werden.
Es wird einzusehen sein, dass auch andere NiTiNOL-Zusammensetzungen mit geeigneten Umwandlungstemperaturen bekannt sind. Zum Beispiel kann die Formgedächtnislegierung der Clips 60 Ni₃₀Pt₃₀Ti₅₀ sein. Dieses Material besitzt eine Umwandlungstemperatur über 150°C, die die vorweggenommene maximale Betriebstemperatur der Aktuatoranordnung 10 darstellt. Dieses Material kann auch derart gebildet sein, dass es eine ausreichende Formgedächtnisumwandlungsdehnung erzeugt, um eine Abdichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die Eigenschaften dieses Materials sind in Noebe, R. D.; Biles, T; und Padula II, S. A.: „NiTi-Based High-Temperature Shape-Memory Allogs: Properties, Prospects, and Potential Applications", NASA/TM-2005-213 104, 2005, beschrieben.
Die durch die Clips 60 erzeugte Klammerspannung und die wiederum zwischen der Hülse 50 und dem darunterliegenden Aktuator 10 erzeugte Abdichtungsspannung sind nicht im Detail beschrieben, da sie von den tatsächlichen Eigenschaften der Hülse und den mechanischen Eigenschaften und Abmessungen der Formgedächtnislegierung abhängig sein werden. Auf der Basis der verfügbaren Zahlen würde ein NiTiNOL-Clip mit einem Innendurchmesser von 7,5 mm und einem Außendurchmesser von 9,5 mm für eine ausreichende Klammerung sorgen.
Wenn die Hülse 50 aus PVDF besteht, so wird geschätzt, dass auf der Basis eines Kompressionsmoduls von 3 GPa ein Anpressdruck von 30 MPa (Druckfestigkeit von 40 MPa) durch einen Clip 60 erzeugt werden kann, der die Hülse 50 um 1% komprimiert.
Mithilfe der Erfindung weist die durch einen der Clips 30, 40 oder 60 gebildete Dichtung eine ausreichende Integrität auf, um dem Durchgang von Fluiden in die Grenzfläche zwischen der Hülse 50 und dem Körperabschnitt 12 standzuhalten. Im Gebrauch können solche Fluide z. B. einen Hochdruck-Kraftstoff, ein hydrostatisches Druckbeaufschlagungsfluid oder Feuchtigkeit aus der Umgebung umfassen. Trotzdem bietet die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die durch den ringförmigen Clip 60 beispielhaft dargestellt ist, den Vorteil, dass keine Möglichkeit für die Bildung eines wendelförmigen Eindringungspfades zwischen der Hülse 50 und dem Körperabschnitt 12 unter dem Clip 60 vorhanden ist. Darüber hinaus kann die Bildung des Clips 60 aus einem ringförmigen Stück eines Formgedächtnislegierungsmaterials einen größeren Anpressdruck im Vergleich mit dem bereitstellen, der durch andere Materialien oder Clip-Konfigurationen einschließlich solcher, die auf einem Rückstellvermögen auf Grund elastischer Verformung beruhen, vorgesehen ist.
Innerhalb des erfinderischen Konzepts sind zahlreiche Varianten möglich. Es wird zum Beispiel einzusehen sein, dass der piezoelektrische Aktuator 20 von einem beliebigen Typ sein kann. Die Endstücke 14, 16 können zumindest teilweise aus einem keramischen Material gebildet sein.
Die Hülse 50 ist ein Beispiel für verschiedene Verkleidungen, die verwendet werden könnten, um den Körperabschnitt 12 des Aktuators 20 zu umhüllen. Die Verkleidung kann zum Beispiel ein Rohr mit einem ersten und einem zweiten offenen Ende sein, sodass der Aktuator 20 in das offene Rohr eingesetzt werden kann. Die Hülse kann aus einem elastisch erweiterten Material bestehen, das sich zusammenziehen kann, um sich der Form des Aktuators anzupassen, oder könnte ein überspritztes Polymer oder Elastomer sein oder könnte eine Tauch-, Lackier- oder Spritzbeschichtung sein.
Optional kann/können zumindest ein Klebstoff oder Füllstoffmaterialen oder -substanzen oder Kombinationen daraus vorhanden sein, der/die zwischen der Außenfläche des Aktuators und der Innenfläche der Verkleidung angeordnet ist/sind.
Es wird einzusehen sein, dass die Clips 30, 40 und 60 optional gewickelt, kreisförmig oder c-förmig sein könnten. Der Clip ist vorzugsweise derart geformt, dass seine innere Buchsenfläche mit der äußeren Steckerfläche des umhüllten Aktuators an der Stelle des Clips übereinstimmt.
In alternativen Ausführungsformen könnte der Clip im Querschnitt viereckig, rund, dreieckig, trapezförmig oder von beliebiger anderer geeigneter Form sein.
In den hier präsentierten bevorzugten Ausführungsformen sind die Clips an jedem Ende der Aktuatoranordnung identisch gebildet. Gleichermaßen könnte jedoch jeder Clip individuell geformt sein, insbesondere wenn das erste und das zweite Ende des Aktuators verschieden geformt sind.
Nach der Beschreibung besonderer bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollte einzusehen sein, dass die betreffenden Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und dass Varianten und Abwandlungen vorgenommen werden können, die dem Fachmann in den Sinn kommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Aktuatoranordnung, die umfasst: einen piezoelektrischen Aktuator (20) mit einem Körperabschnitt (12); einer Verkleidung (50), die zumindest einen Teil des Körperabschnittes (12) des Aktuators (20) umhüllt; und mindestens ein Verengungselement (30, 40; 60), das außen in Bezug auf die Verkleidung (50) angeordnet ist; wobei das Verengungselement (30, 40; 60) eine Verengungskraft auf die Verkleidung (50) aufbringt, um eine Abdichtung zwischen der Verkleidung (50) und dem darunterliegenden Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) aufrechtzuerhalten.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 1, wobei die Verkleidung (50) flexibel ist.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verkleidung (50) mit den Konturen des darunterliegenden Körperabschnittes (12) übereinstimmt.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verkleidung (40) eine außen liegende Sitzfläche für eine innen liegende Fläche des Verengungselements (30, 40; 60) aufweist.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) in die Verkleidung (50) eingesetzt ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 5, wobei die Verkleidung (50) eine Hülse ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 6, wobei die Hülse (50) aus einem Warmschrumpfmaterial besteht.
Aktuatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens eine Zwischenschicht zwischen der Verkleidung (50) und dem darunterliegenden Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) angeordnet ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Zwischenschicht eine Klebstoffschicht oder eine Füllstoffschicht ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 8, wobei mindestens zwei Zwischenschichten mit mindestens einer Klebstoffschicht und mindestens einer Füllstoffschicht vorhanden sind.
Aktuatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Verkleidung (50) auf dem Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) gebildet ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 11, wobei die Verkleidung (50) durch Eingießen, Lackieren, Eintauchen oder Spritzen gebildet ist.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verkleidung (50) in Kontakt mit dem darunterliegenden Körperabschnitt (12) des Aktuators (50) steht.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) die Verengungskraft federnd auf die Verkleidung (50) aufbringt.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 14, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) einen Durchmesser aufweist, der federnd aufgeweitet ist, um den darunterliegenden umhüllten Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) unterzubringen.
Aktuatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) die Verengungskraft auf die Verkleidung (50) durch plastische Verformung aufbringt.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 16, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) aus einem durch Wärme zusammenziehbaren Material hergestellt ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 18, wobei die Aktuatoranordnung einen Betriebstemperaturbereich aufweist und wobei das Formgedächtnismaterial des Verengungselements (30, 40; 60) eine definierte martensitische Umwandlungstemperatur aufweist, die außerhalb dieses Temperaturbereiches liegt.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) allgemein ringförmig ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 20, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) allgemein rohrförmig ist.
Aktuatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) einen Querschnitt aufweist, der eine allgemein gerade Seite definiert, die dem umhüllten Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) zugewandt ist.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 22, wobei die gerade Seite eine zylindrische innen liegende Fläche definiert.
Aktuatoranordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) mindestens eine Wicklung umfasst.
Aktuatoranordnung nach Anspruch 24, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und die Wicklungen der Vielzahl zusammenwirken, um eine zylindrische innen liegende Fläche zu definieren.
Verfahren zum Herstellen eine Aktuatoranordnung, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Vorsehen eines piezoelektrischen Aktuators (20) mit einem Körperabschnitt (12) und einer Verkleidung (50), die zumindest einen Teil des Körperabschnittes (12) umhüllt; und Aufbringen mindestens eines Verengungselements (30, 40; 60) auf das Äußere der Verkleidung (50), sodass das Verengungselement (30, 40; 60) eine Verengungskraft auf die Verkleidung (50) aufbringt, um eine Abdichtung zwischen der Verkleidung (50) und dem darunterliegenden Körperabschnitt (12) des Aktuators (20) aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 26, umfassend die Schritte: Aufweiten des Verengungselements (30, 40; 60), bevor es auf das Äußere der Verkleidung (50) aufgebracht wird; und Zulassen oder Bewirken, dass das Verengungselement (30, 40; 60) auf die Verkleidung (50) schrumpft.
Verfahren nach Anspruch 27, umfassend die Schritte: federndes Aufweiten des Verengungselements (30, 40; 60) bevor es auf das Äußere der Verkleidung (50) aufgebracht wird; und Zulassen, dass das Verengungselement (30, 40; 60) durch Freisetzen einer elastischen Verformung des Verengungselements (30, 40; 60) auf die Verkleidung (50) schrumpft.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Verengungselement (30, 40; 60) aus einer Formgedächtnislegierung mit einer martensitischen Umwandlungstemperatur hergestellt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Aufweiten des Verengungselements (30, 40; 60) bei einer Temperatur unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur, bevor es auf das Äußere der Verkleidung (50) aufgebracht wird; und Bewirken oder Zulassen, dass die Temperatur des Verengungselements (30, 40; 60) die martensitische Umwandlungstemperatur überschreitet, wonach das Verengungselement (30, 40; 60) auf die Verkleidung (50) schrumpft.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend den Schritt: Aufbewahren des aufgeweiteten Verengungselements (30, 40; 60) bei einer Temperatur unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur, bevor es auf das Äußere der Verkleidung (50) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, ferner umfassend den Schritt einer Glühwärmebehandlung des Verengungselements (30, 40; 60) vor seiner Aufweitung.
Verfahren nach Anspruch 31, ferner umfassend den Schritt: Bilden des Verengungselements (30, 40; 60) vor seiner Glühwärmebehandlung, wobei der Schritt des Bildens bei einer Temperatur unterhalb der martensitischen Umwandlungstemperatur ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 32, ferner umfassend den Schritt: Kühlen zumindest eines Teils des umhüllten Aktuators, um den Beginn der martensitischen Umwandlung nach Aufbringen des Verengungselements (30, 40; 60) auf das Äußere der Verkleidung (50) zu verzögern.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Aktuatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25 oder hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33.
Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 34, wobei die Aktuatoranordnung in einem Speichervolumen der Einspritzeinrichtung angeordnet ist.