DE10246691A1

DE10246691A1 - Einspritzvorrichtung

Info

Publication number: DE10246691A1
Application number: DE10246691A
Authority: DE
Inventors: Rainer Hardt; Günter LEWENTZ
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22
Also published as: EP1556907A1; WO2004034481A1

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 7 È 10E·-6· 1/K hergestellt.

Description

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 sicherzustellen. 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 Anspruchs 1 umfasst ein Gehäuse aus einem keramischen Material, wobei das keramische Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von maximal 7 × 10E^–61/K aufweist. Durch die Verwendung eines keramischen Werkstoffs für das Gehäuse werden somit erfindungsgemäß temperaturbedingte Längenänderungen der Piezokeramik 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 Gehäuse, 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 (Si₃N₄) oder Cordierit-Keramik (MgO-Al₂O₃-SiO₂). Diese keramischen Materialien weisen hervorragende Temperaturkompensationseigenschaften 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 Kopfplatte 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 Riffelung, 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. Cg35, 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 beispielsweise 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 Kopfplatte angeschweißt werden, insbesondere mittels Laserschweißen. 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 Verstemmen 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 Zeichnung 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:
1 eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktuators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktuators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
3 eine schematische Schnittansicht eines Piezoaktuators gemäß einem dritten Ausführungbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein erstes Ausführungbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie in 1 gezeigt umfasst der Piezoaktuator 1 eine Piezokeramik 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 angeordnet. 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 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 verbunden. 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 Kopfplatte 3 entspricht (vgl. 2).
In dem in 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 stirnseitigen 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 keramischen 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 Ausführungsbeispielen 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

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 7 × 10E^–61/K hergestellt ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material des Gehäuses (2) Aluminiumnitrit, Siliziumcarbid, Siliziumnitrit oder Cordierit-Keramik ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfplatte (3) am Gehäuse (2) verklebt ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopfplatte (3) am Gehäuse (2) mittels Löten direkt am Gehäuse befestigt ist.
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.
Piezoaktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verbindung zwischen dem Gehäuse (2) und der Kopfplatte (3) mittels Verstemmelementen (4) gesichert ist.
Piezoaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Gehäuse (2) an dem zur Kopfplatte gerichteten Ende eine Metallisierung aufweist.
Piezoaktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnt durch einen an einem freien Ende des Gehäuses (2) angefügten Metallring (6), an dem die Kopfplatte (3) angeschweißt ist.
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 Metallring (11) verbunden ist.
Piezoaktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zur Membran (14) zwischen der Bodenplatte (9) und dem Metallring (11) eine zusätzliche Abdichtung (13) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Piezoaktuators (1), welcher eine Piezokeramik (10), eine daran befestigte Kopfplatte (3) und ein aus einem keramischen Material hergestelltes Gehäuse (2) umfasst, bei welchem die Kopfplatte (3) mittels einer mechanischen Verbindung und/oder mittels Löten unmittelbar an das Gehäuse (2) angefügt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Piezoaktuators (1), welcher 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.
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.