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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Piezoaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, einen Kraftstoff-Injektor mit einem Piezoaktor gemäß Anspruch 8
sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Piezoaktors gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Bekannte
Piezoaktoren für
den Einsatz in Kraftstoff-Injektoren zur direkten oder indirekten
Ansteuerung eines ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelementes
(Düsennadel)
bestehen aus alternierend angeordneten Piezokörpern und Elektroden. Die Elektroden
sind dabei alternierend auf zwei Sammelelektroden verteilt und fest
mit diesen verbunden. Um die notwendige Flexibilität bei einer
Längenänderung des
Piezoaktors zu ermöglichen,
sind die Sammelelektroden dabei als Invar-Siebelektroden ausgebildet,
die mit den Elektroden mittels bleifreiem SnAg-Cu-Lot verlötet sind. Um den Lötvorgang
ausführen
zu können,
müssen
die Invar-Siebelektroden zuvor durch eine galvanische Oberflächenabscheidung
von SnCu 0,7 benetzbar gemacht werden. Das Invar als Grundwerkstoff
und auch die abscheidbare Galvanik sind wesentliche Kostentreiber
für den
Aufbau eines Einspritzsystems mittels Piezoaktoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen, kostengünstig herstellbaren,
als Verbundbauteil ausgebildeten, vorzugsweise für einen Kraftstoff-Injektor geeigneten,
Piezoaktor vorzuschlagen. Bevorzugt soll dessen Funktionalität, Prozessfähigkeit
und Zuverlässigkeit
mindestens dem Niveau von bisher bekannten, zuvor beschriebenen Piezoaktoren
entsprechen. Insbesondere soll der Piezoaktor zuverlässig bei
Temperaturwechselbeanspruchung sein. Ferner besteht die Aufgabe
darin, einen Kraftstoff-Injektor mit einem wie zuvor beschrieben
ausgebildeten Piezoaktor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines
Piezoaktors anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Piezoaktors mit den Merkmalen des
Anspruchs 1, hinsichtlich des Kraftstoff-Injektors mit den Merkmalen
des Anspruchs 8 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit
den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen
der Erfindung fallen sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder
den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen
sollen vorrichtungsgemäß offenbarte
Merkmale als verfahrensgemäß offenbart
gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte
Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart
gelten und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Stand der Technik als
Sammelelektrode zum Einsatz kommende Invar-Elektrode durch ein offen poröses Sinterformteil
zu ersetzen. Anders ausgedrückt
ist mindestens eine fest mit einem Piezokörper (Piezokeramikkörper, Piezokristallkörper) verbundene,
beispielsweise aus AgPd-Standardelektrode ausgebildete, Elektrode
nicht wie im Stand der Technik elektrisch leitend mit einer Invar-Sammelelektrode verbunden,
sondern mit einer als Sammelelektrode dienenden, sich vorzugsweise
in Längserstreckung des
Piezoaktors erstreckende, Sinterformteilelektrode. Ein derartiges
Sinterformteil besitzt den Vorteil bereits integrierter und im nachfolgenden
Fügeprozess
mit der mindestens einen Elektrode, vorzugsweise mit einer Vielzahl
von Elektroden (Fügepartnern),
stabiler Gaskanäle
für die
Be- und Entlüftung der
sich beispielsweise durch Sintern, Löten, Schweißen oder Kleben auszubildenden
Fügestelle.
Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere in einer erhöhten Temperaturwechselbeständigkeit.
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Ferner
ist von Vorteil, dass aufgrund der Ausbildung der mindestens einen
Sammelelektrode als poröses
Sinterformteil eine ausreichende Flexibilität gegeben ist, damit sich das
Sinterformteil bzw. die Sammelelektrode an eine Längung oder
Kontraktionen des Piezoaktors, vorzugsweise des Piezoaktorstapels,
anpassen kann, ohne dass es zu einer Beschädigung der Verbindung zwischen
der mindestens einen Elektrode und der mindestens einen Sammelelektrode
kommt.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Piezoaktors,
bei der das mindestens eine Sinterformteil aus Silbermetall, insbesondere aus
Silbermetall-Flakes, hergestellt ist und/oder Silbermetall, insbesondere
Silbermetall-Flakes,
umfasst. Aus Silbermetall hergestellte oder Silbermetall umfassende
Sinterformteile sind im Hinblick auf ihre hohe elektrische und thermische
Leitfähigkeit
von Vorteil. Darüber
hinaus eignet sich Silber zum Realisieren einer durchgehend offenen,
Gaskanäle
bildenden Porösität.
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Im
Hinblick auf das Fügen
der mindestens einen, mindestens einen Piezokörper kontaktierenden, Elektrode
mit dem Sinterformteil gibt es unterschiedliche Möglichkeiten,
wobei es im Rahmen der Erfindung liegt, sämtliche, insbesondere beide,
Sammelelektroden mit den zugehörigen
Elektroden mit der identischen Methode oder mit unterschiedlichen
Methoden zu fügen.
Gemäß einer
ersten Alternative wird das als Sammelelektrode dienende Sinterformteil
mit der mindestens einen Elektrode versintert, entweder unmittelbar,
d. h. ohne zusätzliche
Sinterpaste, wobei hierzu ausreichend Druck und Temperatur aufgewendet
werden müssen,
damit das Sinterformteil zu dem Piezokörper eine Bindung eingeht,
d. h. sinterfähig wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform
wird zum Fügen
der mindestens einen Elektrode mit dem Sinterformteil Sinterpaste
eingesetzt. Die offene Porosität
des Sinterformteils dient dabei zur Entgasung der Fügestelle
während
des Fügeprozesses
und zum Zuführen
von Sauerstoff zu der Fügestelle.
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Alternativ
ist es möglich,
die mindestens eine Elektrode mit dem offen porösen Sinterformteil zu verlöten, vorzugsweise
durch den Einsatz von Lotwerkstoff, wie Lotpaste, Lotpulver oder
einem Lotformkörper.
Der Lotwerkstoff geht dabei durch Temperatureinwirkung in eine flüssige Phase über und verbindet
das Sinterformteil mit der mindestens einen Elektrode. Ganz besonders
bevorzugt handelt es sich bei dem Lotwerkstoff um bleifreie Lotpaste,
wobei es jedoch auch denkbar ist, bleihaltige Lotpasten, insbesondere
Standardlotpasten, einzusetzen. Aufgrund seiner porösen Struktur
eignet sich das als Sammelelektrode zum Einsatz kommende Sinterformteil
hervorragend zum Eingehen einer robusten Lötverbindung. Dies ist vor allen
Dingen auf die gute Benetzbarkeit des Sinterformteils mit allen
gängigen Lotwerkstoffen
zurückzuführen, insbesondere
wenn das Sinterformteil, zumindest teilweise, aus Silbermetall,
insbesondere Silbermetall-Flakes, hergestellt ist. Die „puffernde” Wirkung
des Sinterformteils mildert die auf den reinen Lotwerkstoff zerstörend wirkenden
thermo-mechanischen Spannungen, insbesondere während des späteren Einsatzes
des Piezoaktors, vorzugsweise in einem Kraftstoff-Injektor. Die beim
Lötprozess
entstehenden Gase können
optimal durch die von der Porosität des Sinterformteils gebildeten
Gaskanäle
abgeleitet werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Verbindung der mindestens einen Elektrode mit dem mindestens
einen als Sammelelektrode dienenden Sinterformteil besteht darin,
die Elektrode mit dem Sinterformteil zu verkleben, insbesondere
durch Leitkleben. Dabei werden bevorzugt silberhaltige (mit Silber
gefüllte) Kleber
eingesetzt, die im Sinterformteil eine ideale Anbindungsfläche finden,
insbesondere dann, wenn das Sinterformteil aus Silbermetall ausgebildet
ist.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
die mindestens eine Elektrode, vorzugsweise die mindestens zwei
Elektroden, mit dem Sinterformteil durch Schweißen, insbesondere Reibschweißen, Ultraschallschweißen oder
Widerstandsschweißen,
zu verbinden. Die Oberfläche
des vorzugsweise silberhaltigen bzw. aus Silber bestehenden Sinterformteils lässt sich
optimal in einem Schweißprozess
mit der mindestens einen Elektrode verbinden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei
der nicht nur die mindestens eine Sammelelektrode, sondern auch
die mindestens eine, fest mit dem Piezokörper verbundene Elektrode als
offen poröses
Sinterformteil ausgebildet ist, wobei das als Elektrode dienende
Sinterformteil in der Art wie das Sammelelektrodensinterformteil
ausgebildet sein kann. Ganz besonders bevorzugt ist eine Vielzahl
von jeweils als Sinterformteil ausgebildeten Elektroden alternierend
mit Piezokörpern
angeordnet, um auf diese Weise einen Piezostack zu bilden. Bevorzugt
sind die Elektroden mit der identischen Methode mit den Piezokörpern verbunden,
wie die Sammelelektroden mit Elektroden, wobei es auch möglich ist,
hiervon unterschiedliche Fügeprozesse
einzusetzen. Grundsätzlich
ist es möglich,
den mindestens einen Piezokörper
mit der mindestens einen Elektrode durch Sintern, Kleben, Löten oder
Schweißen
zu verbinden.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass nicht
nur ein Piezokörper
und zwei, insbesondere als Sinterformteileelektroden ausgebildete,
Elektroden, sondern dass jeweils eine Vielzahl von Piezokörpern und
eine Vielzahl von Elektroden vorgesehen sind, wobei es weiter bevorzugt
ist, wenn die Elektroden auf mindestens zwei, vorzugsweise ausschließlich zwei,
Sinterformteilsammelelektroden verteilt angeordnet sind, an denen
eine Potentialdifferenz an legbar ist. Ganz besonders bevorzugt ist
es, wenn die Piezokörper
und die Elektroden alternierend in einer Stapelrichtung zur Bildung
eines Piezostacks angeordnet sind.
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Die
Erfindung führt
auch auf einen Kraftstoff-Injektor mit einem wie zuvor beschrieben
ausgebildeten Piezoaktor. Dabei kann der Piezoaktor je nach Ausbildung
des Kraftstoff-Injektors entweder unmittelbar verstellend auf ein
ein- oder mehrteiliges Einspritzventilelement (Düsennadel) einwirken, also unter
Verzicht auf einen Servokreislauf. Bei einer alternativen Ausführungsform
dient der Piezoaktor zum Betätigen
eines Steuerventils (Servoventils). Besonders bevorzugt ist es,
wenn dem Piezoaktor ein hydraulischer Koppler zugeordnet ist, der
den Piezoaktor mit einem Steuerventil oder unmittelbar mit dem Einspritzventilelement
hydraulisch koppelt.
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Ferner
führt die
Erfindung auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines, vorzugsweise
wie zuvor beschrieben ausgebildeten, Piezoaktors. Kern des Verfahrens
ist es, mindestens eine mit einem Piezokörper, beispielsweise durch
Schweißen,
Sintern, Kleben oder Löten
verbundene Elektrode mit einem als Sammelelektrode dienenden Sinterformteil,
insbesondere einer Sinterfolie, zu verbinden, vorzugsweise durch
Sintern (entweder unmittelbares Sintern oder unter Einsatz von Sinterpaste),
durch Verlöten, Verkleben
oder Verschweißen.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht unter anderem darin, dass durch die durchgängig offen-poröse Struktur
des Sinterformteils Gase beim Verbindungsprozess mit dem Piezokörper entweichen
und bei Bedarf Gase, wie Sauerstoff, an die Fügestelle geführt werden
können,
so dass eine Rissbildung vermieden wird.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante des Verfahrens,
bei dem vor dem eigentlichen Fügeprozess
zum Verbinden der mindestens einen Elektrode mit vier als Sinterformteil
ausgebildeten Sammelelektrode das Sinterformteil, insbesondere mittels
eines Stempels und einer Matrize hergestellt wird. Dabei ist es
einerseits möglich,
unmittelbar das Sinterformteil zu sintern, oder alternativ das Sinterformteil
nach dem erfolgten Sinterprozess aus einem großen Sinterteil herauszuarbeiten,
beispielsweise herauszustanzen, zu sägen oder zu schneiden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen.
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Diese
zeigen in:
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1 in
einer sehr stark schematisierten Ansicht einen Kraftstoff-Injektor mit einem
Piezoaktor zur unmittelbaren Ansteuerung eines einteiligen Einspritzventilelementes über einen
hydraulischen Koppler,
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2 ein
aus Siltermetall-Flakes hergestelltes Sinterformteil, und
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3 schematisch
einen Herstellungsprozess zum Herstellen eines Piezoaktors.
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
stark schematisiert einen Kraftstoff-Injektor 1 zum Einspritzen
von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Der
Kraftstoff-Injektor 1 ist als Common-Rail-Injektor ausgebildet
und umfasst einen Hochdruckanschluss 2 für die Versorgung
mit unter Hochdruck (Raildruck) stehendem Kraftstoff aus einem nicht
gezeigten Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Rail).
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Innerhalb
des Kraftstoff-Injektorgehäuses 3 ist
axial verstellbar ein in diesem Ausführungsbeispiel einteiliges
Einspritzventilelement 4 (Düsennadel) angeordnet. Dieses
ist über
einen hydraulischen Koppler 5, umfassend einen Kopplerkolben 6,
mit einem Piezoaktor 7 wirkverbunden. Bei einer alternativen,
nicht gezeigten Ausführungsform
dient der Piezoaktor 7 nicht zum unmittelbaren Verstellen
des Einspritzventilelementes 4, sondern zum Verstellen
eines Steuerventilelementes eines Steuerventils (Servoventils),
mit dem der Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer (Servokammer)
steuerbar ist, die von dem ein- oder mehrteiligen Einspritzventilelement 4 begrenzt
ist.
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2 zeigt
den Aufbau eines Sinterformteils 8, welches bei dem in 1 nur
angedeuteten Piezoaktor 7 als Sammelelektrode 9 zum
Einsatz kommt. Genauer ausgedrückt
umfasst der als Stapelaktor ausgebildete Piezoaktor 7 insgesamt
zwei, jeweils als Sinterformteil ausgebildete Sammelelektroden 9, an
die eine Potentialdifferenz zur Längung des Piezoaktors 7 anlegbar
ist. Das Sinterformteil 8 ist aus Silbermetall-Flakes hergestellt
und weist eine durchgehend offene Porosität auf. Diese bildet Gasdurchlasskanäle, durch
die Gase von den Fügestellen
weg nach außen
bzw. zu den Fügestellen
hin strömen können. Die
Fügestellen
sind dabei gebildet zwischen den Sammelelektroden 9 und
alternierend mit Piezokörpern
angeordneten, die Piezokörper
kontaktierenden Elektroden (Innenelektroden).
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3 zeigt
stark schematisiert einen Herstellungsprozess zum Herstellen eines
in der Zeichnungsebene rechts dargestellten Piezoaktors 7.
Der Piezoaktor 7 umfasst einen Piezokörperstapel 10, umfassend
eine Vielzahl von Piezokörpern 11,
wobei die Piezokörper 11 in
eine Stapelrichtung S1 alternierend mit
Elektroden 12a, 12b gestapelt sind. Dabei können jeweils
zwei in Stapelrichtung S1 nebeneinander
angeordnete Elektroden 12a, 12b zur Längung des
Piezoaktors 7 unterschiedlich gepolt werden. Um diese unterschiedliche
Polung zu realisieren, sind die mit dem Bezugszeichen 12a gekennzeichneten
Elektroden, also jede zweite Elektrode 12a, mit einer in der
Zeichnungsebene unteren, sich in Stapelrichtung S1 erstreckenden
Sammelelektrode 9a verbunden, wohingegen die jeweils anderen,
alternierend mit den Elektroden 12a angeordneten Elektroden 12b mit
einer in der Zeichnungsebene oberen Sammelelektrode 9b verbunden
sind, die parallel zur unteren Sammelelektrode 9a angeordnet
ist. Beide Sammelelektroden 9a, 9b sind jeweils
als Sinterformteil 8, hier als Sinterfolie, ausgebildet.
Bei Bedarf können
die Elektroden 12a, 12b ebenfalls jeweils als
Sinterformteil ausgebildet werden. Auch ist es möglich, diese als Lotverbindung
auszubilden. Bevorzugt bestehen die Elektroden 12a, 12b (Innenelektroden)
dann aus AgPd.
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Um
eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Sammelelektrode 9a und
den Elektroden 12a, bzw. der Sammelelektrode 9b und
den Elektroden 12b herstellen zu können, ragen die Elektroden 12a, 12b jeweils
bis zu dem von der zugehörigen Sammelelektrode 9a, 9b kontaktierten
Randseite des Piezokörperstapels 10 oder über diesen
hinaus.
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Zum
Herstellen des in 3 rechts dargestellten Piezoaktors 7 wird
zunächst
der Piezokörperstapel 10 hergestellt,
entweder in an sich bekannter Weise oder durch eine alternierende
Anordnung von Sinterformteilen und Piezokörpern, wo bei die Elektroden 12a, 12b fest,
insbesondere durch Versintern, Verschweißen, Verlöten oder Verkleben (Leitkleben) mit
den benachbarten Piezokörpern 11 verbunden werden.
Der so erhaltene Piezokörperstapel 10 wird dann
sandwichartig zwischen zwei Sammelelektroden 9a, 9b aufgenommen.
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Im
Folgenden wird eine erste mögliche
Verbindungstechnik anhand von 3 erläutert. Zunächst wird
auf die in der Zeichnungsebene untere, als Sinterformteil 8 ausgebildete
Sammelelektrode 9a Sinterpaste 13, hier Silbersinterpaste,
als Depot aufgebracht. Daraufhin wird in eine zweite Stapelrichtung
S2 auf die Sinterpaste 13 der Piezokörperstapel 10 gelegt,
woraufhin auf diesen wiederum Sinterpaste 13, hier ebenfalls
Silbersinterpaste, aufgetragen wird, woraufhin auf die Sinterpaste 13 die
in der Zeichnungsebene obere, als Sinterformteil 8 ausgebildete
Sammelelektrode 9b aufgelegt wird. Daraufhin wird der Stapel
einem Sinterprozess 14 zugeführt, bei dem der Stapel einem
Prozessdruck und Prozesstemperatur ausgesetzt wird. Bei diesem Sinterprozess 14 handelt
es sich um den zweiten Sinterprozess der Sinterformteile 8 – ggf. sogar
um den zweiten Sinterprozess der Elektroden 12a, 12b.
Der Gasaustausch für
das Sintern der Sinterpaste 13 kann über das gesamte poröse Volumen
der Sinterformteile 8, d. h. der Sammelelektroden 9a, 9b,
stattfinden. Die Sinterpaste 13 muss nicht in der zuvor
beschriebenen Reihenfolge erfolgen. Die Sinterpaste 13 kann
beispielsweise auch vor dem Stapel auf beide Parallelseiten des
Piezokörperstapels 10 aufgetragen
werden.
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Anhand
von 3 ist auch ein alternativer Fügeprozess erläuterbar.
So können
die Sinterformteile 8 bzw. die Sammelelektroden 9a, 9b mit
dem Piezokörperstapel 10 beispielsweise
verlötet
werden, wobei hierzu auf die Sinterformteile 8 bzw. die
Sammelelektroden 9a, 9b und/oder den Piezokörperstapel 10 Lotwerkstoff 15 gedruckt
oder dispenst werden/wird. Zusätzlich
wird ein Flussmittel aufgetragen, woraufhin die Sinterformteile 8 mit
dem Piezokörperstapel 10 durch
Temperatureinwirkung verlötet
werden, wobei die Feststoffe im Lotwerkstoff 15 hierbei zunächst in
die flüssige
Phase übergehen.
Bei der alternativen Verfahrensvariante kennzeichnet der zusätzlich mit
dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnete Pfeil den Lötvorgang
bzw. den Lötprozess.
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Auch
ist es möglich,
die Sinterformteile 8 mit dem Piezokörperstapel 10 zu verkleben.
In diesem Fall handelt es sich bei den zusätzlich mit dem Bezugszeichen 17 gekennzeichneten
Teilen um, vorzugsweise metallhaltigen, insbesondere sil berhaltigen,
Kleber 17 und bei dem zusätzlich mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichneten
Pfeil um den Klebeprozess.