WO2004034481A1 - Piezoaktuator für eine einspritzvorrichtung - Google Patents

Piezoaktuator für eine einspritzvorrichtung Download PDF

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Rainer Hardt
Günter LEWENTZ
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    • F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the present invention relates to an injection device for injecting fuel with a piezo actuator according to the preamble of claim 1 and a method for producing a piezo actuator.
  • Injection devices with piezo actuators are well known in the art. Due to the heat generated during operation, the piezo actuator experiences thermally induced changes in length, which must be compensated for in order to ensure safe and reliable operation of the piezo actuator. It has therefore been proposed to use the material Invar as the housing material for a housing in which the piezo actuator is arranged.
  • Invar is an iron-based material to which nickel of 30-45% or nickel of 30-45% and additionally cobalt up to 20% are added as essential elements.
  • Such a housing material can compensate for thermal changes in length, since Invar has a similar coefficient of thermal expansion as the piezoceramic of the piezo actuator, but Invar is an extremely expensive material, so that the costs of such injection devices with piezo actuators are very high.
  • the piezo actuator according to the invention with the features of claim 1 comprises a housing made of a ceramic material, the ceramic material having a thermal expansion coefficient of at most 7 ⁇ 10 6 ⁇ 1 / K.
  • a ceramic material for the housing, temperature-related changes in length of the piezo ceramic are compensated for by corresponding changes in length of the ceramic housing.
  • Invar the expensive material
  • the use of the expensive material Invar can be dispensed with and an optimal temperature adjustment can be achieved.
  • the use of a ceramic housing enables an even more rigid housing, since the ceramic materials tend to have a higher modulus of elasticity than the metallic housings previously used.
  • a smaller wall thickness of the ceramic housing can still be realized, which has an overall advantageous effect on the weight of the piezo actuator.
  • the ceramic material is particularly preferred aluminum nitrite (AlN), silicon carbide (SiC), silicon nitrite (Si 3 N) or cordierite ceramic (MgO-Al0 3 -Si0 2 ). These ceramic materials have excellent temperature compensation properties corresponding to the piezoceramic for a temperature range from -50 ° C to 200 ° C.
  • the head plate is preferably glued to the housing.
  • Another preferred way of fastening the head plate to the housing can be realized by soldering directly to the housing. Direct soldering with active solders can be used.
  • the head plate and the housing are connected via a mechanical connection, in particular a threaded connection or a reef, connected.
  • This mechanical connection can also be implemented particularly cost-effectively, and the required tightness can also be maintained.
  • the mechanical connection is preferably secured by means of several press-in pills.
  • the press-in pills are, for example, caulked into bores in the ceramic housing at the level of the head plate.
  • the press-in pills are preferably made of a relatively easily deformable steel, e.g. Cq35. For example, 6 to 8 press-in pills are used, which are equally distributed along the circumference of the head plate.
  • the ceramic housing is preferably provided with a metallization at the end facing the head plate.
  • a metal ring is preferably soldered to the end of the ceramic housing facing the head plate.
  • a head lath made of steel, for example, can then be welded onto this metal ring, in particular by means of laser welding.
  • a metal ring is preferably soldered to the end of the ceramic housing directed towards a base plate.
  • the ceramic housing can also have a metallization in the area of the soldering.
  • a membrane provided on the base plate can also be firmly and tightly connected to both the base plate and the metal ring by means of welding.
  • the head plate is attached to the ceramic housing by means of different joining technologies.
  • joining technologies for example, direct soldering of the head plate to the ceramic housing or mechanical connection technology, for example by means of threads or grooves or corrugations or caulking.
  • Another possibility for realizing the method according to the invention is the soldering of a steel ring to one or both ends of the ceramic housing and a subsequent attachment of a head plate or a base plate together with a membrane, for example by means of welding.
  • the ceramic housing is preferably metallized in order to simplify the soldering or welding process.
  • the present invention is particularly applicable to memory injection systems such as Common rail systems used.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a piezo actuator according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a piezo . , , Actuators according to a second exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of a piezo actuator according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • the piezo actuator 1 comprises a piezo ceramic 10, which is arranged in an essentially tubular housing 2.
  • the tubular housing 2 can have a round or angular or any other transverse have cut.
  • the housing 2 is made of a ceramic material.
  • the ceramic material of the housing 2 is selected such that its coefficient of thermal expansion corresponds approximately to that of the piezoceramic 10. As a result, temperature-related changes in length of the piezoceramic can be compensated for by corresponding changes in length of the housing in the longitudinal direction XX.
  • a head plate 3 is arranged at one end of the housing 2.
  • the head plate 3 is connected to the ceramic housing 2 by means of a mechanical connection via a thread.
  • a plurality of pressed beads 4 made of a steel material are provided, which are each arranged in bores 15 which are formed in the ceramic housing 2 at the level of the head plate.
  • the press beads 4 are fastened to the head plate 3 by caulking, so that the head plate 3 is fixed to the ceramic housing 2.
  • a piezo actuator 1 according to a second exemplary embodiment of the present invention is described below with reference to FIG.
  • the head plate 3 is connected to the ceramic housing 2 by means of soldering.
  • the head plate 3 is soldered to the end of the ceramic housing 2 such that it forms a flat termination with the housing 2. This results in an annular solder connection with a height that corresponds approximately to the thickness of the top plate 3 (cf. FIG. 2).
  • a steel ring 6 is soldered to the end of the ceramic housing 2 facing the head plate by means of a solder connection 8.
  • the head plate 3 is in turn means of a welded joint 7, in particular by means of laser welding, connected to the steel ring 6.
  • a steel ring 11 is also attached to the end of the ceramic housing 2 facing a base plate 9 by means of a soldered connection 12.
  • the bottom plate 9 is in turn connected by a membrane 14 which is welded to both the bottom plate 9 and the steel ring 11.
  • This membrane 14 enables the very small stroke of the piezoceramic 10 to be passed on via the base plate 9.
  • the membrane 14 is preferably welded to the step-shaped transition of the base plate 9 between the two different diameter areas of the base plate 9. In this way, a base plate can also be attached in the first two exemplary embodiments.
  • an additional annular seal 13 is preferably arranged between the base plate 9 and the steel ring 11.
  • the temperature compensation is also provided in the third exemplary embodiment by the approximately equal coefficients of thermal expansion of the housing 2 and the piezoceramic 10.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Piezoaktuator für eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, umfassend eine in einem Gehäuse (2) angeordnete Piezokeramik (10), welche über eine Kopfplatte (3) mit dem Gehäuse in Verbindung steht. Das Gehäuse (2) ist aus einem keramischen Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von maximal 7x10E-6 1/K hergestellt.

Description

Beschreibung
PIEZOAKTUATOR FÜR EINE EINSPRITZVORRICHTtMG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit einem Piezoaktuator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators .
Einspritzvorrichtungen mit Piezoaktuatoren sind im Stand der Technik wohl bekannt. Durch die im Betrieb auftretende Wärmeentwicklung erfährt der Piezoaktuator thermisch bedingte Längenänderungen, welche ausgeglichen werden müssen, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des Piezoaktuators sicher- zustellen. Von daher wurde vorgeschlagen, als Gehäusewerkstoff für ein Gehäuse, in welchem der Piezoaktuator angeordnet ist, den Werkstoff Invar zu verwenden. Invar ist ein Werkstoff auf Eisenbasis, welchem Nickel von 30-45% oder Nickel von 30-45% und zusätzlich Kobalt bis 20% als wesentliche Elemente zulegiert wird. Durch einen derartigen Gehäusewerkstoff können zwar thermische Längenänderungen ausgeglichen werden, da Invar einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Piezokeramik des Piezoaktuators aufweist, jedoch ist Invar ein äußerst teuerer Werkstoff, so dass die Kosten derartiger Einspritzvorrichtungen mit Piezoaktuatoren sehr hoch sind.
Es ist von daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Piezoaktuator für eine Einspritzvorrichtung bereitzustellen, wobei der Piezoaktuator bei einfacher und kostengünstiger
Herstellbarkeit eine ausreichende Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen ermöglicht bzw. ein kostengünstiges Herstellverfahren für einen derartigen Piezoaktuator bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Piezoaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 bzw. 12 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Piezoaktuator mit den Merkmalen des An- Spruchs 1 umfasst ein Gehäuse aus einem keramischen Material, wobei das keramische Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von maximal 7xlOE~61/K aufweist. Durch die Verwendung eines keramischen Werkstoffs für das Gehäuse werden somit erfindungsgemäß temperaturbedingte Längenänderungen der Piezo- keramik durch entsprechende Längenänderungen des keramischen Gehäuses kompensiert. Somit kann auf die Verwendung des teueren Werkstoffs Invar verzichtet werden und eine optimale Temperaturanpassung erreicht werden. Weiterhin ermöglicht die Verwendung eines keramischen Gehäuses ein noch steiferes Ge- häuse, da die keramischen Werkstoffe tendenziell ein höheres E-Modul aufweisen als die bisher verwendeten metallischen Gehäuse. Somit kann weiterhin noch eine geringere Wanddicke des keramischen Gehäuses realisiert werden, was sich insgesamt vorteilhaft auf das Gewicht des Piezoaktuators auswirkt.
Besonders bevorzugt ist das keramische Material Aluminiumnitrit (AlN) , Siliziumcarbid (SiC) , Siliziumnitrit (Si3N) oder Cordierit-Keramik (MgO-Al03-Si02) . Diese keramischen Materialien weisen hervorragende Temperaturkompensationseigenschaf- ten entsprechend der Piezokeramik für einen Temperaturbereich von -50 °C bis 200 °C auf.
Um eine möglichst kostengünstige Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Piezoaktuators zu ermöglichen, ist die Kopfplat- te vorzugsweise am Gehäuse verklebt. Eine andere bevorzugte Befestigungsmöglichkeit der Kopfplatte am Gehäuse kann mittels Löten direkt an das Gehäuse realisiert werden. Dabei kann eine Direktlötung mit Aktivloten eingesetzt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Kopfplatte und das Gehäuse über eine mechanische Verbindung, insbesondere eine Gewindeverbindung oder eine Riffeiung, miteinander verbunden. Diese mechanische Verbindung lässt sich ebenfalls besonders kostengünstig realisieren, wobei auch die erforderlichen Dichtheiten eingehalten werden können .
Um eine zusätzliche Sicherheit der mechanischen Verbindung zu erhalten, ist die mechanische Verbindung vorzugsweise mittels mehrerer Einpresspillen gesichert. Die Einpresspillen sind beispielsweise in Bohrungen in dem keramischen Gehäuse auf Höhe der Kopfplatte eingestemmt. Die Einpresspillen sind vorzugsweise aus einem relativ leicht verformbaren Stahl, wie z.B. Cq35, gebildet. Dabei werden beispielsweise 6 bis 8 Einpresspillen verwendet, welche gleich entlang des Umfangs der Kopfplatte verteilt sind.
Um eine einfache Lötverbindung zwischen der Kopfplatte und dem Gehäuse zu ermöglichen, ist das keramische Gehäuse vorzugsweise an dem zur Kopfplatte gerichteten Ende mit einer Metallisierung versehen. Als Metallisierung kann beispiels- weise eine Dotierung mit Titan verwendet werden. Weiterhin bevorzugt wird an das zur Kopfplatte gerichtete Ende des keramischen Gehäuses ein Metallring angelötet. An diesem Metallring kann dann beispielsweise eine aus Stahl hergestellte Kopf latte angeschweißt werden, insbesondere mittels Laser- schweißen. Weiterhin bevorzugt ist ein Metallring an das zu einer Bodenplatte gerichtete Ende des keramischen Gehäuses angelötet. Dabei kann das keramische Gehäuse ebenfalls im Bereich der Lötung eine Metallisierung aufweisen. Eine an der Bodenplatte vorgesehene Membran kann dabei weiterhin sowohl mit der Bodenplatte als auch dem Metallring mittels Schweißen fest und dicht verbunden werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators wird die Kopfplatte mittels unterschiedlicher Fügetechnologien an dem keramischen Gehäuse befestigt. Als Fügetechnologien können beispielsweise direktes Anlöten der Kopfplatte an das keramische Gehäuse oder mechanische Verbin- dungstechnologien, beispielsweise mittels Gewinde oder Rillen oder Riffelungen oder Verstem en verwendet werden. Eine andere Möglichkeit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Anlöten eines Stahlrings an eines oder beide Enden des keramischen Gehäuses und ein anschließendes Anfügen einer Kopfplatte bzw. einer Bodenplatte nebst Membran, beispielsweise mittels Schweißen. Vorzugsweise wird dabei das keramische Gehäuse metallisiert, um den Lötvorgang bzw. Schweißvorgang zu vereinfachen.
Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei Speichereinspritzsystemen, wie z.B. Common-Rail-Systemen, verwendet.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeich- nung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei sind in der nachfolgenden Beschreibung gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktuators gemäß einem ersten Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines Piezo- . . . aktuators gemäß einem zweiten Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung und
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktuators gemäß einem dritten Ausführung- beispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein erstes Ausführungbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in Figur 1 gezeigt umfasst der Piezoaktuator 1 eine Piezoke- ramik 10, welche in einem im Wesentlichen rohrförmigen Gehäuse 2 angeordnet ist. Das rohrförmige Gehäuse 2 kann dabei einen runden oder auch eckigen oder beliebigen anderen Quer- schnitt aufweisen. Das Gehäuse 2 ist aus einem keramischen Material hergestellt. Das keramische Material des Gehäuses 2 ist dabei derart gewählt, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient ungefähr dem der Piezokeramik 10 entspricht. Dadurch können temperaturbedingte Längenänderungen der Piezokeramik durch entsprechende Längenänderungen des Gehäuses in Längsrichtung X-X ausgeglichen werden.
Eine Kopfplatte 3 ist an einem Ende des Gehäuses 2 angeord- net. Die Kopfplatte 3 ist mittels einer mechanischen Verbindung über ein Gewinde mit dem keramischen Gehäuse 2 verbunden. Um die Position der Kopfplatte 3 am Gehäuse 2 zu sichern, sind mehrere Pressperlen 4 aus einem Stahlmaterial vorgesehen, welche jeweils in Bohrungen 15 angeordnet sind, die im keramischen Gehäuse 2 auf Höhe der Kopfplatte gebildet sind. Die Pressperlen 4 werden mit der Kopfplatte 3 mittels Verstemmen befestigt, so dass die Kopfplatte 3 am keramischen Gehäuse 2 fixiert ist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 2 ein Piezoaktuator 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die Kopfplatte 3 mittels Löten mit dem keramischen Gehäuse 2 verbun- den. Dabei ist die Kopfplatte 3 derart an das Ende des keramischen Gehäuses 2 angelötet, dass sie einen ebenen Abschluss mit dem Gehäuse 2 bildet. Dabei ergibt sich eine ringförmige Lötverbindung mit einer Höhe, die etwa der Dicke der Kopf- platte 3 entspricht (vgl . Figur 2 ) .
In dem in Figur 3 dargestellten Piezoaktuator 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist im Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen ein Stahlring 6 an dem zur Kopfplatte gerichteten stirn- seitigen Ende des keramischen Gehäuses 2 mittels einer Lötverbindung 8 angelötet. Die Kopfplatte 3 ist ihrerseits mit- tels einer Schweißverbindung 7 , insbesondere mittels Laserschweißen, mit dem Stahlring 6 verbunden.
An dem zu einer Bodenplatte 9 gerichteten Ende des kerami- sehen Gehäuses 2 ist ebenfalls ein Stahlring 11 mittels einer Lötverbindung 12 angefügt. Die Bodenplatte 9 ist ihrerseits über eine Membran 14, die sowohl an der Bodenplatte 9 als auch am Stahlring 11 angeschweißt ist, verbunden. Diese Membran 14 ermöglicht die Weitergabe des sehr kleinen Hubes der Piezokeramik 10 über die Bodenplatte 9. Die Membran 14 ist dabei vorzugsweise an dem stufenförmigen Übergang der Bodenplatte 9 zwischen den beiden unterschiedlichen Durchmesserbereichen der Bodenplatte 9 angeschweißt. Auf diese Weise kann auch eine Bodenplatte in den ersten beiden Ausführungsbei- spielen angebracht werden.
Um eine zusätzliche Abdichtung zu ermöglichen, ist vorzugsweise zwischen der Bodenplatte 9 und dem Stahlring 11 eine zusätzliche ringförmige Abdichtung 13 angeordnet.
Wie beim ersten Ausführungsbeispiel ist auch beim dritten Ausführungsbeispiel die Temperaturkompensation durch die annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Gehäuses 2 und der Piezokeramik 10 gegeben.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoaktuator für eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, umfassend eine in einem Gehäuse (2) angeordnete Piezokeramik (10) , welche über eine Kopfplatte (3) mit dem Gehäuse in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus einem keramischen Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von maximal 7xl0E~61/K hergestellt ist.
2. Piezoaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material des Gehäuses (2) Aluminiumnitrit, Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder Cordie- rit-Keramik ist.
3. Piezoaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfplatte (3) am Gehäuse (2) verklebt ist.
4. Piezoaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfplatte (3) am Gehäuse (2) mittels Löten direkt am Gehäuse befestigt ist.
5. Piezoaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die -Kopfplatte (-3) und das Gehäuse (2) über eine mechanische Verbindung, insbesondere eine Gewindeverbindung oder eine Riffelung oder Rillen, miteinander verbunden ist.
6. Piezoaktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse (2) und der Kopfplatte (3) mittels Verstemmelernenten (4) gesichert ist.
7. Piezoaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Gehäuse (2) an dem zur Kopfplatte gerichteten Ende eine Metallisierung aufweist .
8. Piezoaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen an einem freien Ende des
Gehäuses (2) angefügten Metallring (6) , an dem die Kopfplatte
(3) angeschweißt ist.
9. Piezoaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallring (11) an einem zu einer Bodenplatte (9) gerichteten Ende des keramischen Gehäuses (2) befestigt ist und eine Membran (14) zwischen der Bodenplatte (9) und dem Metallring (11) angeordnet ist und mittels Schweißen mit der Bodenplatte (9) und dem Me- tallring (11) verbunden ist.
10. Piezoaktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur Membran (14) zwischen der Bodenplatte (9) und dem Metallring (11) eine zusätzliche Ab- dichtung (13) angeordnet ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators (1), welcher eine Piezokeramik (10) , eine daran befestigte Kopfplatte (3) und ein aus einem keramischen Material hergestelltes Ge- häuse- (2) umfasst, bei welchem die Kopfplatte (3) mittels einer mechanischen Verbindung und/oder mittels Löten unmittelbar an das Gehäuse (2) angefügt ist.
12. Verfahren zur Herstellung einer Piezoaktuators (1), wel- eher eine Piezokeramik (10) , eine daran befestigte Kopfplatte
(3) und ein aus einem keramischen Material hergestelltes Gehäuse (2) umfasst, bei welchem ein Metallring (6, 11) an wenigstens ein freies Ende des keramischen Gehäuses (2) , insbesondere mittels Löten, angefügt ist, wobei eine Kopfplatte (3) und/oder eine Bodenplatte (9) mittels einer Schweißverbindung mit dem Metallring verbunden ist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , dass das keramische Gehäuse (2) an seinen freien Enden jeweils eine Metallisierung aufweist, um eine Vereinfachung eines Lötvorgangs zu ermöglichen.
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