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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil,
ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Aktors und ein
Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen Aktor.
Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von
luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 100 25 998
A1 ist ein piezoelektrischer Aktor zur Betätigung eines
mechanischen Bauteils bekannt. Der bekannte piezoelektrische Aktor
weist einen Mehrschichtaufbau von Piezolagen auf. Dabei sind in
einem piezoelektrisch aktiven Bereich zwischen den Lagen Innenelektroden
angeordnet. Ferner ist zumindest ein inaktiver Bereich am Fuß- oder
Kopfteil des Piezoaktors vorgesehen. Durch den inaktiven Bereich
ist eine Anpassung der Gesamteinbaulänge des Piezoaktors möglich, ohne dass
die elektrischen Eigenschaften des Aktors wesentlich beeinflusst
sind.
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Der
aus der
DE 100 25
998 A1 bekannte piezoelektrische Aktor hat den Nachteil,
dass bei der Betätigung
des Aktors nur ein relativ geringer Hub erzeugt werden kann. Ein
kritischer Prozess bei der Herstellung von langen Aktoren ist das
Laminieren. Somit wird in Bezug auf einen gewissen Fertigungsaufwand
die Länge
des Aktors im Wesentlichen durch das Laminieren begrenzt.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und das erfindungsgemäße Verfahren
mit den Merkmalen des Anspruchs 9 haben demgegenüber den Vorteil, dass ein relativ langer
piezoelektrischer Aktor mit einem entsprechend großen Hub
geschaffen werden kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruchs 1 angegebenen
piezoelektrischen Aktors, des im Anspruch 8 angegebenen Brennstoffeinspritzventils
und des im Anspruch 9 angegebenen Verfahrens möglich.
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Der
Verbindungsteilkörper
zwischen dem ersten aktiven Aktorteilkörper und dem zweiten aktiven
Aktorteilkörper
weist zumindest eine keramische Schicht auf. Vorzugsweise weist
der Verbindungsteilkörper
zumindest zwei keramische Schichten auf. Es können auch mehr als zwei keramische
Schichten vorgesehen sein. Die keramischen Schichten sind vorzugsweise
unbedruckt, so dass der Verbindungsteilkörper keine elektrisch leitenden
Schichten aufweist. Der Verbindungsteilkörper kann allerdings auch bedruckte keramische
Schichten aufweisen. Die durch den Druck ausgebildeten elektrisch
leitenden Zwischenschichten sind dann nicht mit den Elektrodenanbindungen
des piezoelektrischen Aktors verbunden, so dass der Verbindungsteilkörper passiv ausgestaltet
ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass der erste aktive Aktorteilkörper und der zweite aktive
Aktorteilkörper
getrennt voneinander durch Vorlaminieren ausgebildet sind und dass
der Aktorkörper
durch gemeinsames Nachlaminieren des ersten aktiven Aktorteilkörpers, des
Verbindungsteilkörpers
und des zweiten aktiven Aktorteilkörpers ausgebildet ist. Dabei
können
der erste aktive Aktorteilkörper
und der zweite aktive Aktorteilkörper
aus einem laminierten Block herausgetrennt, anschließend mittels
des Verbindungsteilkörpers
zusammengefügt
und zusammen mit dem Verbindungsteilkörper nachlaminiert werden.
Das Nachlaminieren kann allerdings auch im Block erfolgen, so dass
der Aktorkörper
aus dem nachlaminierten Block herausgetrennt wird. Durch das Nachlaminieren
wird eine feste Verbindung der Aktorteilkörper hergestellt, so dass ein
langer piezoelektrischer Aktor geschaffen werden kann.
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Vorzugsweise
ist zumindest eine Elektrodenanbindung vorgesehen, die sowohl mit
einem Teil der Elektrodenschichten des ersten Aktorteilkörpers als
auch mit einem Teil der Elektrodenschichten des zweiten Aktorteilkörpers elektrisch
verbunden ist. Dies hat den Vorteil, dass die Ansteuerung dieser Elektrodenschichten über eine
Elektrodenanbindung erfolgen kann. Vorzugsweise ist eine weitere
Elektrodenanbindung vorgesehen, die mit dem anderen Teil der Elektrodenschichten
des ersten Aktorteilkörpers und
mit dem anderen Teil der Elektrodenschichten des zweiten Aktorteilkörpers elektrisch
verbunden ist. Die Betätigung
des Aktors erfolgt dann durch Anlegen einer Betätigungsspannung zwischen den
Elektrodenanbindungen, wobei eine im Wesentlichen gleichmäßige Ausdehnung
der aktiven Aktorteilkörper
erreicht wird.
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Zeichnung
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen,
in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer
schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen
Aktors in einer detaillierten Schnittdarstellung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezoelektrischen
Aktor 2 entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen
dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine
Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff
unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt. Der
erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 und
der erfindungsgemäße piezoelektrische
Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehäuse 3 und
einen mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen
Brennstoffeinlassstutzen 4 auf. An dem Brennstoffeinlassstutzen 4 ist
eine Brennstoffleitung anschließbar,
um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Aktorraum 5 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist durch
ein Gehäuseteil 6 von
einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehäuses 3 vorgesehenen
Brennstoffraum 7 getrennt. In dem Gehäuseteil 6 sind Durchlassöffnungen 8, 9 vorgesehen,
um den zugeführten
Brennstoff über
den Aktorraum 5 in den Brennstoffraum 7 zu leiten.
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An
einem mit dem Ventilgehäuse 3 verbundenen
Ventilsitzkörper 10 ist
eine Ventilsitzfläche 11 ausgebildet,
die mit einem Ventilschließkörper 12 zu einem
Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist der Ventilschließkörper 12 einstückig mit
einer Ventilnadel 15 ausgebildet. Über die Ventilnadel 15 ist
der Ventilschließkörper 12 mit
einer im Aktorraum 5 vorgesehenen Druckplatte 16 verbunden.
Die Ventilnadel 15 wird dabei durch das Gehäuseteil 6 in
Richtung einer Achse 17 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt. Mittels
der Druckplatte 16 ist die Ventilnadel 15 durch eine
Ventilfeder 18 mit einer Schließkraft beaufschlagt, so dass
der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete
Dichtsitz geschlossen ist.
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An
dem Ventilgehäuse 3 ist
außerdem
ein Anschlusselement 20 zum Anschließen einer elektrischen Zuleitung
an das Brennstoffeinspritzventil 1 vorgesehen. Die elektrische
Zuleitung kann dabei mittels eines Steckers an elektrische Leitungen 21, 22 angeschlossen
werden, die durch das Gehäuse 3 und
einen Aktorfuß 23 zu
dem Aktor 2 geführt
sind. Der Aktor 2 stützt
sich über
den Aktorfuß 23 an
einer Innenseite des Ventilgehäuses 3 ab.
Außerdem
wirkt der Aktor 2 über
einen Aktorkopf 24 entgegen der Kraft der Ventilfeder 18 auf
die Druckplatte 16 ein, wobei der Aktor 2 durch
die Ventilfeder 18 vorgespannt ist.
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Der
piezoelektrische Aktor 2 weist einen Aktorkörper 30 auf.
Der Aktorkörper 30 weist
einen ersten aktiven Aktorteilkörper 31,
einen zweiten aktiven Aktorteilkörper 32 und
einen Verbindungsteilkörper 33 auf.
Der Verbindungsteilkörper 33 ist
als passiver Verbindungsteilkörper 33 ausgebildet.
Der Verbindungsteilkörper 33 ist
zwischen dem ersten aktiven Aktorteilkörper 31 und dem zweiten
aktiven Aktorteilkörper 32 angeordnet
und verbindet den ersten aktiven Aktorteilkörper 31 mit dem zweiten
aktiven Aktorteilkörper 32.
Außerdem
weist der piezoelektrische Aktor 2 eine Elektrodenanbindung 34 und
eine weitere Elektrodenanbindung 35 auf. Die Elektrodenanbindung 34 verbindet
die elektrische Leitung 21 mit einem Teil der Elektrodenschichten
des ersten aktiven Aktorteilkörpers 31 und
einem Teil der Elektrodenschichten des zweiten aktiven Aktorteilkörpers 32. Entsprechend
verbindet die weitere Elektrodenanbindung 35 die elektrische
Leitung 32 mit dem anderen Teil der Elektrodenschichten
des ersten aktiven Aktorteilkörpers 31 und
dem anderen Teil der Elektrodenschichten des zweiten aktiven Aktorteilkörpers 32.
Die elektrische Verbindung der Elektrodenanbindungen 34, 35 mit
den Elektrodenschichten ist anhand der 2 weiter
im Detail beschrieben.
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Zur
Herstellung der aktiven Aktorteilkörper 31, 32 kann
eine niedrig sinternde Piezokeramik mit einem organischen Bindersystem
als 125 μm
dicke rohe Keramikfolie ausgestaltet werden. Auf diese Folie wird
eine elektrisch leitende Schicht aus einem Gemisch aus Silber- und
Palladiumpulvern und einem geeigneten Bindersystem mittels Siebdruck
aufgebracht. Mehrere derartig bedruckte Keramikfolien werden aufeinander
gestapelt und zu einem Laminat verpresst. Anschließend wird
das Laminat in einzelne, stabförmige
Aktorteilkörper
zertrennt. Insbesondere werden dadurch der erste Aktorteilkörper 31 und der
zweite Aktorteilkörper 32 im
noch rohen Zustand erhalten. Auf den ersten Aktorteilkörper 31 wird
der Verbindungsteilkörper 33 im
noch rohen Zustand aufgebracht, der eine oder mehrere rohe keramische Schichten
umfasst. Darauf wird der zweite Aktorteilkörper 32 im noch rohen
Zustand aufgeschichtet. Durch Nachlaminieren der Aufschichtung aus
dem ersten Aktorteilkörper 31,
dem Verbindungsteilkörper 33 und
dem zweiten Aktorteilkörper 32 wird
der rohe Aktorkörper 30 erhalten.
Der Aktorkörper 30 wird
anschließend
bei cirka 400° C
pyrolysiert und bei etwa 1100° C
gesintert. Anschließend
kann der Aktorkörper 30 an
einer oder mehreren Seiten mechanisch nachbearbeitet werden. Die
Nachbearbeitung dient insbesondere dazu, dass der Aktorkopf 24 und
der Aktorfuß 23 an
den Aktorkörper 30 angefügt werden können und
zur Ermöglichung
der Befestigung der Elektrodenanbindungen 34, 35.
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Alternativ
kann auch ein erstes Laminat und ein zweites Laminat hergestellt
werden, die jeweils aus mehreren bedruckten Folien bestehen. Auf
das erste Laminat können
dann eine oder mehrere rohe keramische Schichten aufgebracht werden.
Darauf kann das weitere Laminat aufgebracht werden, so dass zwischen
den beiden Laminaten die rohen keramischen Schichten vorgesehen
sind, die die beiden Laminate miteinander verbinden. Anschließend kann der
gesamte Block nachlaminiert werden. Der nachlaminierte Block kann
dann zu einzelnen, stabförmigen
Aktorkörpern 30 zertrennt
werden, die bei cirka 400° C
pyrolysiert und bei etwa 1100° C
gesintert werden. Anschließend
kann eine Nachbearbeitung des Aktorkörpers 30 erfolgen.
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Der
Verbindungsteilkörper 33 ist
als passiver Verbindungsteilkörper 33 ausgestaltet
und weist daher vorzugsweise keine elektrisch leitenden Schichten
auf. Der Verbindungsteilkörper 33 kann
allerdings auch bedruckte Schichten aufweisen, die allerdings weder
mit der Elektrodenanbindung 34 noch mit der weiteren Elektrodenanbindung 35 elektrisch
verbunden sind.
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Über die
elektrischen Leitungen 21, 22 kann der Aktor 2 geladen
werden, wobei zum einen der erste aktive Aktorteilkörper 31 und
zum anderen der zweite aktive Aktorteilkörper 32 geladen wird.
Dabei dehnt sich sowohl der erste aktive Aktorteilkörper 31 als
auch der zweite aktive Aktorteilkörper 32 in Richtung
der Achse 17 aus, so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und
der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete
Dichtsitz geöffnet
wird. Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffraum 7 über einen
Ringspalt 40 und den geöffneten
Dichtsitz. Der gesamte Hub des piezoelektrischen Aktors 2 ist
dabei näherungsweise
doppelt so groß wie
der eines der Aktorteilkörper 31, 32.
Sofern das Brennstoffeinspritzventil eine Hubübersetzungseinrichtung aufweist,
kann dadurch die Hubübersetzungseinrichtung
entfallen oder eine mit kleinerem Übersetzungsverhältnis gewählt werden.
Durch Entladen des Aktors 2 zieht sich sowohl der erste
aktive Aktorteilkörper 31 als
auch der zweite aktive Aktorteilkörper 32 zusammen,
so dass der zwischen dem Ventilschließkörper 12 und der Ventilsitzfläche 11 ausgebildete
Dichtsitz wieder geschlossen ist.
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Das
Laden und Entladen der Aktorteilkörper 31, 32 erfolgt
dabei gemeinsam über
die Elektrodenanbindungen 34, 35.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen
Aktors 2 der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Der
erste aktive Aktorteilkörper 31 weist
keramische Schichten 41A, 41B, 41C, 41D auf,
zwischen denen Elektrodenschichten 42A, 42B, 42C angeordnet
sind. Ferner weist der zweite aktive Aktorteilkörper 32 keramische
Schichten 43A, 43B, 43C, 43D auf,
zwischen denen Elektrodenschichten 44A, 44B, 44C angeordnet
sind. In der 2 sind zur Vereinfachung der
Darstellung nur wenige keramische Schichten 41A bis 41D, 43A bis 43D und
wenige Elektrodenschichten 42A bis 42C, 44A bis 44C dargestellt
und jeder der aktiven Aktorteilkörper 31, 32 kann
eine erheblich größere Anzahl
an keramischen Schichten 41A bis 41D, 43A bis 43D und
Elektrodenschichten 42A bis 42C, 44A bis 44C,
beispielsweise einige hundert, aufweisen. Die Elektrodenschichten 42A, 42C des
ersten aktiven Aktorteilkörpers 31 und die
Elektrodenschicht 44B des zweiten aktiven Aktorteilkörpers 32 sind
mit der Elektrodenanbindung 34 verbunden. Andererseits
sind die Elektrodenschicht 42B des ersten aktiven Aktorteilkörpers 31 und
die Elektrodenschichten 44A, 44C des zweiten aktiven Aktorteilkörpers 32 mit
der weiteren Elektrodenanbindung 35 verbunden. Dadurch
können
die Elektrodenschichten 42A bis 42C, 44A bis 44C abwechselnd
jeweils mit der momentanen Betätigungsspannung oder
mit Masse verbunden werden.
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Der
Verbindungsteilkörper 33 weist
keramische Schichten 45, 46 auf. Der Verbindungsteilkörper 33 ist
zwischen dem ersten aktiven Aktorteilkörper 31 und dem zweiten
aktiven Aktorteilkörper 32 angeordnet.
Die keramische Schicht 45 des Verbindungsteilkörpers 33 ist
dabei mit der keramischen Schicht 41D des ersten aktiven
Aktorteilkörpers 31 durch
Sintern verbunden. Ferner ist die keramische Schicht 46 des Verbindungsteilkörpers 33 durch
Sintern mit der keramischen Schicht 43A des zweiten aktiven
Aktorteilkörpers 32 verbunden.
Außerdem
sind auch die keramischen Schichten 45, 46 des
Verbindungsteilkörpers 33 durch
Sintern miteinander verbunden. Die keramischen Schichten 45, 46 des
Verbindungsteilkörpers 33 können gemeinsam
vorlaminiert sein. Ferner sind die mit den Elektrodenschichten 42A bis 42C bedruckten
keramischen Schichten 41A bis 41D des ersten aktiven
Aktorteilkörpers 31 vorlaminiert. Entsprechend
sind auch die mit den Elektrodenschichten 44A bis 44C bedruckten
keramischen Schichten 43A bis 43D des zweiten
aktiven Aktorteilkörpers 32 gemeinsam
vorlaminiert. Anschließend werden
der erste aktive Aktorteilkörper 31,
der Verbindungsteilkörper 33 und
der zweite aktive Aktorteilkörper 32 gemeinsam
nachlaminiert, um den Aktorkörper 30 im
rohen Zustand zu erhalten. Durch nachfolgende Verarbeitungsschritte,
insbesondere durch Sintern, wird dann der Aktorkörper 30 ausgebildet.
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Zumindest
eine der keramischen Schichten 45, 46 kann auch
mit einer elektrisch leitenden Schicht bedruckt sein. Eine solche
elektrisch leitende Schicht des Verbindungsteilkörpers 33 wird dann
weder mit der Elektrodenanbindung 34 noch mit der weiteren
Elektrodenanbindung 35 elektrisch verbunden. Dadurch ist
eine zuverlässige
Verbindung der Aktorteilkörper 31, 32 mittels
des Verbindungsteilkörpers 33 von
hoher mechanischer Festigkeit ausgebildet.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere
kann der Verbindungsteilkörper 33 auch
nur eine der keramischen Schichten 45, 46 oder
mehr als zwei keramische Schichten 45, 46 aufweisen.