[go: up one dir, main page]

WO2007036444A1 - Brennstoffeinspritzventil - Google Patents

Brennstoffeinspritzventil Download PDF

Info

Publication number
WO2007036444A1
WO2007036444A1 PCT/EP2006/066412 EP2006066412W WO2007036444A1 WO 2007036444 A1 WO2007036444 A1 WO 2007036444A1 EP 2006066412 W EP2006066412 W EP 2006066412W WO 2007036444 A1 WO2007036444 A1 WO 2007036444A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer thickness
layers
fuel injection
injection valve
piezoceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/066412
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Hedenetz
Alexander Hedrich
Georg Hejtmann
Alfons Kelnberger
Manfred Klein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2007036444A1 publication Critical patent/WO2007036444A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/08—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series the valves opening in direction of fuel flow
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/093—Forming inorganic materials
    • H10N30/097—Forming inorganic materials by sintering

Definitions

  • the invention relates to a fuel injection valve with a piezoceramic Dahlaktor after the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Fuel injection valves with piezoceramic multilayer actuators are known, for example, from DE 35 33 085 A1 or WO 03/05482 A1.
  • these documents each disclose a fuel injection valve in which a valve needle is designed to be actuatable by means of a piezoceramic multilayer actuator. By applying a voltage to the multilayer actuator it can change in length to operate the valve needle. Thus, a seat of the valve is opened, through which the fuel from the valve is injected into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • piezoelectric actuators by means of which electrical energy can be converted into mechanical energy, enables precise control of fuel injection rates. Tilen and thus an efficient and clean combustion of the fuel in the internal combustion engine.
  • piezoceramic multilayer actuators are subjected to an electrical voltage of between 100 V and 200 V, resulting in an elongation of between 30 .mu.m and 100 .mu.m, depending on the length of the actuator, which, in cooperation with a mechanical or hydraulic coupling to the Actuation of the valve is used.
  • the design of fuel injectors is usually carried out such that at a high timing of the valve of about 30 injections per second during the life of a vehicle about 1 billion Betat Whileszyklen be achieved, which can be divided into individual injection sections such as pre-, main and post-injection ,
  • multilayer actuators having as thin a piezoceramic layers as possible are used, the thickness of which is 60 ⁇ m to 80 ⁇ m, sometimes up to 100 ⁇ m. Since the elongation of the piezoceramic multilayer actuator depends on the applied electric field strength and applied fields of the order of 2 kV / mm for an application in a fuel injection valve an acceptably high elongation, sufficient at the low layer thicknesses used driving voltages of up to 200 V, which in a control unit with conventional electronic components can be realized relatively inexpensively.
  • the problem here is that the electrical capacitance of the multilayer actuators is very high and thus high amounts of charge must be moved during operation of the multilayer actuator by the electronic control unit when unloading and loading the multilayer actuator.
  • the resulting high Umladestrome lead to high electrical losses in the electronic control unit. This causes a high energy demand from the electrical system of the motor vehicle and leads to a strong heat development within the control unit. Due to this high heat development, the cooling demand is correspondingly high and the requirements for the dimensioning of the electrical circuit also increase.
  • the inventive fuel injection valve has a multilayer actuator with respect to common multilayer actuators increased layer thickness and thus reduced number of layers.
  • the layers can be produced on a film basis, for example by so-called green films, which results in a simplified production process.
  • the layers or films are easier to handle due to their greater thickness and less susceptible to mechanical damage or cracks.
  • the number of interfaces is reduced because the number of layers is reduced. This has the advantage that the number of mechanical weak points is reduced and the number of interfaces between ceramic layers and electrodes is reduced. For example, cracks along the interfaces in the direction of adjacent electrodes can arise and grow, which can lead to strike through. As a result of the increased layer thickness, damage at the same crack kinetics would only occur later.
  • an increased absolute layer thickness variation may be acceptable, so that, among other things, simplified and more cost-effective shaping processes can be used for their production in the case of ceramic films.
  • the reduction of ohmic transitions can also be present in the multilayer actuator, for example at contact points of the base metallization to internal electrodes, which leads to a reduced power loss.
  • a layer thickness according to the invention has a positive effect on magnetic sturfelector due to low charge and discharge currents.
  • a layer thickness of the piezo-ceramic layers of a multilayer actuator according to the invention leads, with a reduction in the number of layers, to a lower power loss in the electronic control unit of the control electronics. This makes it possible to dimension smaller electronic circuits and thus to make more cost-effective.
  • the inventive fuel injection valve can thus be designed for drive voltages up to 1000 V.
  • a preferred exemplary embodiment of a fuel injection valve designed according to the invention is shown schematically simplified in the drawing and will be explained in more detail in the following description. Show it:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel injection valve with a piezoceramic multilayer actuator
  • Figure 2 is a comparative representation of the maximum
  • Figure 3 is a comparative representation of the dynamic Aktorhubs for multilayer actuators with conventional layer thickness at 100V and double layer thickness at 200 V;
  • Figure 4 is a comparative representation of the dynamic Aktorhubs for multilayer actuators with conventional layer thickness at 192 V and double layer thickness at 374 V;
  • FIGS. 6a and 6b show measuring curves of the dynamic hub and the and 6b maximum charge
  • FIGS. 7a and 7b show maximum dynamic charge curves.
  • the fuel injection valve 1 shows schematically a fuel injection valve 1, in particular for an injection system of an internal combustion engine of motor vehicles for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the fuel injection valve 1 is equipped with a piezoceramic multi-layer actuator 2.
  • the piezoceramic multilayer actuator 2 actuates a valve needle 3 when the multilayer actuator expands, which valve needle cooperates with a valve closing body 4, with the valve closing body forming a sealing seat 6 with a valve seat body 5.
  • the multilayer actuator 2 in this case has a number of layers 7 of piezoceramic material.
  • a control unit such as control electronics, an electrical voltage can be applied to the layers, which causes an expansion of the multilayer actuator 2.
  • valve needle 3 By stretching the piezoceramic multilayer actuator 2, the valve needle 3 is acted upon directly or indirectly, so that it moves in the axial direction and the Ventilschpracticper 4 lifts off the valve seat body 5 and a high-pressure fuel through a gap between the valve Sch concentratedkorper 4 and the valve seat body 5 can flow out.
  • the fuel injection valve 1 is designed in accordance with a design which is described in more detail in WO 03/05482 Al, the content of which is expressly associated with the disclosure of the present documents.
  • the piezoceramic multilayer actuator 2 is formed by a multiplicity of ceramic layers 7, which have electrodes between them, which serve to apply the voltage. Furthermore, a series of piezoceramic layers, which are arranged without interposed electrode layers, can be arranged on at least one of the two end sides or on both end sides of the multilayer actuator.
  • the layers 7 of the piezoceramic multilayer actuator 2 are designed such that the layer thickness of the piezoceramic layers 7 is between 120 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the layer thickness amounts to approximately 120 ⁇ m and thus is approximately 1.5 times stronger than conventional piezoceramic layers, it is possible to control the multilayer actuator 2 with up to 300 V and standard components and thus without major intervention in the conventional control device architecture. At the same time, the stretching of the comparable since the electric field strength of the electric fields is comparable.
  • the layer thickness can be approximately 160 ⁇ m to 190 ⁇ m and thus double the number of conventional layers if the components used are designed for higher drive voltages.
  • layer thicknesses greater than 250 .mu.m up to production-related feasible 500 microns are feasible in other exemplary embodiments without major problems.
  • the electrical capacitance of the actuator is reduced to a quarter and thus ensures a correspondingly lower power loss in the control unit.
  • the capacitance will change three quarters reduced. Since the electric field should be the same for equal strain, the voltage should be doubled accordingly.
  • FIGS. 2 to 7b show results of comparative investigations of ceramic multilayer actuators with conventional layer thickness and doubled layer thickness but half the number of layers.
  • a semicircular design was used for each of the internal electrodes, resulting in a layer thickness of 3 to 4 ⁇ m for the dried electrodes.
  • the sintered standard multilayer actuator is made up of 10 Blanco layers, i. H. without electrode layer, at both ends, 44 inactive layers and 270 active layers together.
  • double thickness layers two films were stacked so that they have a layer thickness of 180 ⁇ m after sintering.
  • FIG. 2 shows a comparison of the maximum charge quantity Q max after 10 6 load changes for the various multilayer actuators Pl to PlO, the four actuators P1 to P4 having a layer thickness of 90 .mu.m being shown at the left side, which are at a maximum voltage U_max of 100 V are operated, and where on the right side of the six actuators P5 to PlO with a layer thickness of 180 microns are shown, which are operated at a maximum voltage U max of 200 V.
  • the maximum charge Q max of the actuators P 1 to P 4 with a conventional layer thickness of 90 ⁇ m is on average about 310 ⁇ C and the maximum charge Q max of the actuators P 5 to PlO increases according to the invention with an increased, doubled layer thickness of 180 ⁇ m about 162 ⁇ C amounts. The reduction of the average charge is thus about 48%.
  • FIG. 3 shows in a comparative representation a dynamic actuator stroke H dyn for the multilayer actuators P1 to P4 with conventional layer thickness at 100 V and for the actuators P5 to PlO with the double layer thickness at 200 V.
  • the average dynamic actuator stroke with an inventively increased double layer thickness is greater than in conventional layer thickness.
  • the average Aktorhub H dyn at conventional layer thickness is 15.65 microns, wherein the dynamic Aktorhub H_dyn for the actuators P5 to PlO with double layer thickness amounts to 18.6 microns on average. The increase in the average Aktorhubs thus amounts to about 19%.
  • FIG. 4 shows a comparative illustration of the dynamic Aktorhubs H_dyn for the multilayer actuators Pl to P4 with conventional layer thickness at 192 V and double layer thickness at 374 V.
  • the average dynamic Aktorhub H_dyn in accordance with the invention double layer thickness is greater than in actuators with conventional layer thickness.
  • the average dynamic actuator stroke H dyn for actuators with conventional The neiler layer thickness is 35.52 ⁇ m, while the dynamic actuator stroke for actuators with double layer thickness is 39.72 ⁇ m.
  • the increase of the average dynamic actuator stroke is thus about 12%.
  • FIGS. 5a and 5b show measured curves of the dynamic actuator stroke H dyn as a function of time t with a control of 2.175 kV / mm electric field, wherein layers having a conventional layer thickness of 90 ⁇ m were used for the measurements of FIG. 5a and for the measurements of FIG 5b layers were used according to the invention double layer thickness of 180 microns and half the number of layers.
  • the values shown in FIGS. 5a and 5b correspond to the values of the dynamic actuator stroke H_dyn plotted in FIG.
  • FIGS. 6a and 6b show measured curves of the dynamic actuator stroke H_dyn and the maximum power Q_max of a multilayer actuator with a layer thickness of 90 ⁇ m as a function of time t at a drive voltage of 100 V.
  • the values shown in FIG. 6a correspond to those in FIG 3, left half of the figures, plotted values of the dynamic actuator stroke H dyn and the values shown in FIG. 6b correspond to the values of the charge plotted in FIG.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil (1) für Einspritzanlagen, insbesondere für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor (2), einer durch den Vielschichtaktor (2) betätigbaren Ventilnadel (3), welche mit einem Ventilschließkörper (4) zusammenwirkt, der mit einem Ventilsitzkörper (5) einen Dichtsitz (6) bildet, wobei der Vielschichtaktor (2) eine Anzahl von Schichten (7) aus piezokeramischem Materials aufweist. Die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) beträgt dabei zwischen 120 µm und 500 µm.

Description

Brennstoffeinspritzventil
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezokeramischen Vielschichtaktor nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 naher definierten Art.
Brennstoffeinspritzventile mit piezokeramischen Vielschicht- aktoren sind beispielsweise durch die DE 35 33 085 Al oder die WO 03/05482 Al bekannt. Zur Zumessung von Brennstoff für Brennkraftmaschinen offenbaren diese Druckschriften jeweils ein Brennstoffeinspritzventil, bei welchem eine Ventilnadel mittels eines piezokeramischen Vielschichtaktors betatigbar ausgestaltet ist. Durch das Anlegen einer Spannung an den Vielschichtaktor kann dieser sich in der Lange verandern, um die Ventilnadel zu betätigen. Damit wird ein Sitz des Ventils geöffnet, durch welchen der Brennstoff aus dem Ventil in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird.
Der Einsatz von piezoelektrischen Aktoren, mittels denen e- lektrische Energie in mechanische Energie umsetzbar ist, ermöglichen eine genaue Ansteuerung von Brennstoffeinspritzven- tilen und somit eine effiziente und saubere Verbrennung des Brennstoffes in der Brennkraftmaschine.
In der Praxis werden piezokeramische Vielschichtaktoren mit einer mit einer elektrischen Spannung zwischen 100 V und 200 V beaufschlagt, womit sich je nach Lange des Aktors eine Dehnung in einer Größenordnung zwischen 30 μm und 100 μm ergibt, welche im Zusammenwirken mit einer mechanischen oder hydraulischen Kopplung zur Betätigung des Ventils genutzt wird.
Die Auslegung von Brennstoffeinspritzventilen erfolgt üblicherweise derart, dass bei einer hohen Taktung des Ventils von ca. 30 Einspritzungen pro Sekunde wahrend der Lebensdauer eines Fahrzeuges ca. 1 Milliarde Betatigungszyklen erreicht werden, welche sich in einzelne Einspritzabschnitte wie Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung unterteilen lassen.
Derzeit werden in der Praxis bei Brennstoffeinspritzventilen Vielschichtaktoren mit möglichst dünnen piezokeramischen Schichten eingesetzt, deren Dicke jeweils 60 μm bis 80 μm, gelegentlich bis zu 100 μm, betragt. Da die Dehnung des piezokeramischen Vielschichtaktors von der angelegten elektrischen Feldstarke abhangt und angelegte Felder in der Größenordnung von 2 kV/mm für eine Anwendung in einem Brennstoffeinspritzventil eine akzeptabel hohe Dehnung bewirken, reichen bei den verwendeten geringen Schichtdicken Ansteuerspannungen von bis zu 200 V aus, welche in einem Steuergerat mit herkömmlichen elektronischen Bauteilen relativ kostengünstig realisiert werden kann.
Problematisch ist jedoch hierbei, dass die elektrische Kapazität der Vielschichtaktoren sehr hoch ist und somit beim Betrieb des Vielschichtaktors durch die elektronische Steuereinheit beim Entladen und Laden des Vielschichtaktors hohe Ladungsmengen verschoben werden müssen. Die dadurch verursachten hohen Umladestrome fuhren zu hohen elektrischen Verlusten in der elektronischen Steuereinheit. Dies bewirkt einen hohen Energiebedarf aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs und fuhrt zu einer starken Wärmeentwicklung innerhalb des Steuergerätes. Durch diese hohe Wärmeentwicklung ist der Kuh- lungsbedarf entsprechend hoch, und die Anforderungen an die Dimensionierung der elektrischen Schaltung steigen ebenfalls.
Berücksichtigt man weiterhin die zukunftig zu erwartende erhöhte Anzahl von Ansteuerungen des Aktors pro Zyklus, also Anzahl der Einspritzungen pro Arbeitstakt der Brennkraftmaschine bzw. pro Zeiteinheit, um den Verbrennungsablauf weiterhin zu optimieren und das Bestreben nach mehr Motorleistung und Laufruhe der Brennkraftmaschine, was typischer Weise durch eine erhöhte Zylinderanzahl und höhere Motordrehzahlen erreicht wird, so erkennt man, dass die derzeitig verwendete Steuerelektronik von solchen Anforderungen insbesondere hinsichtlich der dadurch verursachten Wärmeentwicklung überlastet wäre und den Anforderungen nicht mehr gerecht werden konnte . Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemaße Brennstoffeinspritzventil weist einen Vielschichtaktor mit gegenüber gangigen Vielschichtaktoren erhöhter Schichtdicke und somit reduzierter Schichtanzahl auf .
Vorteilhaft können die Schichten auf Folienbasis herstellbar sein, wie beispielsweise durch sogenannte Grunfolien, womit sich ein vereinfachtes Herstellungsverfahren ergibt.
Mit der erfindungsgemaßen Gestaltung eines Brennstoffein- spritzventils wird erreicht, dass die elektrische Kapazität und somit die Ladungsmengen, die von dem elektronischen Steuergerat zur Ansteuerung des Brennstoffeinspritzventils verschoben werden müssen, deutlich reduziert sind.
Weiterhin ist dabei vorteilhaft, dass der Aufwand beim Stapeln der einzelnen Schichten bzw. Folien reduziert ist, da eine geringere Menge an Schichten benotigt werden, um einen gleich großen Schichtstapel aufzubauen. Dies hat auch einen Zeitgewinn bei der Herstellung zum Vorteil.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Schichten oder Folien durch ihre größere Dicke besser handhabbar sind und gegenüber mechanischen Beschädigungen oder Rissen weniger anfallig sind. Gleichzeitig wird die Anzahl der Grenzflachen reduziert, da die Anzahl der Schichten reduziert wird. Dies hat den Vorteil, dass die Anzahl der mechanischen Schwachstellen reduziert wird und die Anzahl der Grenzflachen zwischen Keramikschichten und Elektroden reduziert ist. Beispielsweise können Risse entlang der Grenzflachen in Richtung benachbarter E- lektroden entstehen und wachsen, was zu Durchschlagen fuhren kann. Durch die erhöhte Schichtdicke wurde eine Schädigung bei gleicher Risskinetik erst spater auftreten.
Durch die höhere Schichtdicke kann auch die Anzahl der Innenelektroden reduziert sein. Dadurch kann dazu verwendetes Material, wie zum Beispiel Pasten oder ahnliches, eingespart werden, was vorteilhaft im Hinblick auf die Kosten ist.
Weiterhin kann bei erhöhter Schichtdicke eine erhöhte absolute Schichtdickenschwankung akzeptabel sein, so dass unter anderem bei keramischen Folien vereinfachte und kostengünstigere Formgebungsverfahren zu deren Herstellung verwendbar sind.
Auch kann die Reduzierung ohmscher Übergänge im Vielschicht- aktor vorliegen, wie beispielsweise an Kontaktpunkten der Grundmetallisierung zu Innenelektroden, was zu einer reduzierten Verlustleistung fuhrt.
Des Weiteren hat es sich gezeigt, dass eine erfindungsgemaße Schichtdicke bedingt durch geringe Lade- und Entladestrome magnetische Storfelder positiv beeinflusst. Insgesamt fuhrt eine erfindungsgemaße Schichtdicke der piezo- keramischen Schichten eines Vielschichtaktors bei einer Reduzierung der Anzahl der Schichten zu einer geringeren Verlustleistung in der elektronischen Steuereinheit der Ansteuerelektronik. Dadurch ist es möglich, elektronische Schaltungen kleiner zu dimensionieren und somit auch kostengünstiger zu gestalten. Alternativ besteht die Möglichkeit, bei herkömmlicher Dimensionierung die Leistungsfähigkeit zu steigern, so dass eine erhöhte Anzahl von Einspritzvorgangen ansteuerbar ist oder eine erhöhte Motordrehzahl realisierbar ist.
Es hat sich dabei entgegen herrschender Meinung in Versuchen gezeigt, dass Ansteuerspannungen über 200 V, beispielsweise in einem Bereich bis 300 V, problemlos mit herkömmlichen kostengünstigen Bauelementen realisierbar sind.
Bei Anwendung neuerer elektronischer Bauelemente kann das er- findungsgemaße Brennstoffeinspritzventil somit auch auf Ansteuerspannungen bis 1000 V ausgelegt sein.
In Versuchen wurde des Weiteren mit erfindungsgemaßen Schichtdicken eine Erhöhung der Aktordehnung beobachtet, wobei jedoch je nach Auslegung auch eine Verkürzung des Aktors möglich ist. Des Weiteren waren vorteilhafterweise eine auf eine gunstigere Verteilung des elektrischen Feldes am äußeren Rand zurückzuführende Krafterhohung und verbesserte Degradationseigenschaften zu verzeichnen. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaß ausgebildeten Brennstoffeinspritzventils ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung eines Brennstoffeinspritzventils mit einem piezokerami- schen Vielschichtaktor;
Figur 2 eine vergleichende Darstellung der maximalen
Ladungsmenge für Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke und doppelter Schichtdicke;
Figur 3 eine vergleichende Darstellung des dynamischen Aktorhubs für Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke bei 100V und doppelter Schichtdicke bei 200 V;
Figur 4 eine vergleichende Darstellung des dynamischen Aktorhubs für Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke bei 192 V und doppelter Schichtdicke bei 374 V; und
Figuren 5a Messkurven des dynamischen Hubs; und 5b
Figuren 6a Messkurven des dynamischen Hubs und der und 6b maximalen Ladung; und
Figuren 7a Messkurven des dynamischen Hubs und der und 7b maximalen Ladung.
Beschreibung des Ausfuhrungsbeispiels
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Brennstoffeinspritzventil 1 insbesondere für eine Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine von Kraftfahrzeugen zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist dazu mit einem piezokeramischen Viel- schichtaktor 2 ausgestattet. Der piezokeramische Vielschicht- aktor 2 betätigt bei einer Dehnung des Vielschichtaktors eine Ventilnadel 3, welche mit einem Ventilschließkorper 4 zusammenwirkt, wobei der Ventilschließkorper mit einem Ventilsitz- korper 5 einen Dichtsitz 6 bildet.
Der Vielschichtaktor 2 weist dabei eine Anzahl von Schichten 7 von piezokeramischem Material auf. An die Schichten kann mittels einer Steuereinheit, wie Steuerelektronik, eine e- lektrische Spannung angelegt werden, die eine Dehnung des Vielschichtaktors 2 bewirkt.
Durch die Dehnung des piezokeramischen Vielschichtaktors 2 wird die Ventilnadel 3 direkt oder indirekt beaufschlagt, so dass sie sich in axialer Richtung verlagert und der Ventilschließkorper 4 von dem Ventilsitzkorper 5 abhebt und ein unter Hochdruck stehender Brennstoff durch einen Spalt zwischen dem Ventilschließkorper 4 und dem Ventilsitzkorper 5 ausströmen kann.
Vorzugsweise ist das Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß einer Bauart ausgeführt, welche in der WO 03/05482 Al naher beschriebenen ist, deren Inhalt ausdrucklich dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Unterlagen zugehörig ist.
Erfindungsgemaß ist der piezokeramische Vielschichtaktor 2 gebildet durch eine Vielzahl von keramischen Schichten 7, die zwischen sich Elektroden aufweisen, die der Spannungsbeaufschlagung dienen. Weiterhin kann auf zumindest einer der beiden Endseiten oder an beiden Endseiten des Vielschichtaktors eine Reihe von piezokeramischen Schichten angeordnet sein, die ohne zwischengeschaltete Elektrodenschichten angeordnet sind.
Die Schichten 7 des piezokeramischen Vielschichtaktors 2 sind erfindungsgemaß derart ausgebildet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten 7 zwischen 120 μm und 500 μm betragt .
Wenn die Schichtdicke annähernd 120 μm betragt und somit gegenüber konventionellen piezokeramischen Schichten etwa um einen Faktor 1,5 starker ist, ist eine Ansteuerung des Vielschichtaktors 2 mit bis zu 300 V und Standardbauteilen und somit ohne größere Eingriffe in die herkömmliche Steuergeratearchitektur möglich. Gleichzeitig ist die Dehnung des Ak- tors vergleichbar, da die elektrische Feldstarke der elektrischen Felder etwa vergleichbar ist.
Bei einem weiteren erfindungsgemaßen Ausfuhrungsbeispiel kann die Schichtdicke annähernd 160 μm bis 190 μm und somit das Doppelte herkömmlicher Schichten betragen, wenn die verwendeten Komponenten für höhere Ansteuerspannungen ausgelegt sind.
Mit entsprechenden Hochleistungskomponenten sind bei weiteren Ausfuhrungsbeispielen auch Schichtdicken großer als 250 μm bis hin zu fertigungstechnisch noch ohne größere Probleme realisierbaren 500 μm möglich.
Ausgehend von einer Verdoppelung der Schichtdicke der piezo- keramischen Schichten 7 des Vielschichtaktors 2 erniedrigt sich die elektrische Kapazität des Aktors auf ein Viertel und sorgt somit für eine entsprechend geringere Verlustleistung im Steuergerat.
Die elektrische Kapazität C des Aktors ergibt sich zu
C = ε0 * εr * A *l/d * n
mit der Schichtdicke d und n der Anzahl der Schichten.
Wird somit die Anzahl n der Schichten halbiert und gleichzeitig die Schichtdicke d verdoppelt, so wird die Kapazität um drei Viertel reduziert. Da das elektrische Feld für gleiche Dehnung gleich sein sollte, sollte die Spannung entsprechend verdoppelt werden.
Gemäß den Beziehungen
Q = U *C U = E *d Q = E * εo * εr * A * n
mit der Ladungsmenge Q, der Spannung U, der Kapazität C, der elektrischen Feldstarke E und der Schichtdicke d der Keramik ergibt sich daher eine Halbierung der fließenden Ladungsmenge bei Verdoppelung der Schichtdicke und Halbierung der Schichtanzahl, d. h. wenn für n/2 für n steht.
In den Figuren 2 bis 7b sind Ergebnisse von Vergleichsuntersuchungen von keramischen Vielschichtaktoren mit konventioneller Schichtdicke und verdoppelter Schichtdicke, aber halber Schichtanzahl dargestellt.
Dabei werden vier Vielschichtaktoren Pl bis P4 mit konventioneller Schichtdicke 90 μm mit sechs Vielschichtaktoren P4 bis PlO mit verdoppelter Schichtdicke 180 μm verglichen.
Zur Herstellung der oben genannten für die Vergleichsmessungen verwendeten Vielschichtaktoren Pl bis PlO wurden auf der Basis eines mit Sr, K und Nb dotierten Bleizirkonattita- nat (PZT) -Keramikpulvers nach an sich bekannten Formgebungs- verfahren keramische Grunfolien auf Polyvinylbutyral (PVB) - Basis gegossen, wobei die einzelne Schichten im Grunzustand eine Dicke von etwa 110 μm aufweisen. Die Folien wurden nach einem Trocknungs- und Konfektionierungsvorgang teilweise metallisch bedruckt, wie vorliegend mit einer AgPd- (70/30) Paste .
Für die Innenelektroden wurde jeweils ein halbrundes Design verwendet, so dass sich eine Schichtdicke von 3 bis 4 μm für die getrockneten Elektroden ergab.
Nach dem Entbinden und Sintern der Vielschichtaktoren ergab sich für die Folien eine Dicke von 90 μm. Der gesinterte Standard-Vielschichtaktor setzt sich dabei aus 10 Blanco- Lagen, d. h. ohne Elektrodenschicht, an beiden Enden, 44 inaktiven Lagen und 270 aktiven Lagen zusammen.
Bei den Schichten mit doppelter Dicke wurden zwei Folien aufeinander gelegt, so dass sie nach dem Sintern eine Schichtdicke von 180 μm aufweisen.
Die Figur 2 zeigt einen Vergleich der maximalen Ladungsmenge Q max nach 106 Lastwechseln für die verschiedenen Vielschichtaktoren Pl bis PlO, wobei auf der linken Seite die vier Aktoren Pl bis P4 mit einer Schichtdicke von 90 μm dargestellt sind, die bei einer maximalen Spannung U_max von 100 V betrieben sind, und wobei auf der rechten Seite die sechs Aktoren P5 bis PlO mit einer Schichtdicke von 180 μm dargestellt sind, die bei einer maximalen Spannung U max von 200 V betrieben sind. Dabei zeigt sich, dass die maximale Ladung Q max der Aktoren Pl bis P4 mit konventioneller Schichtdicke von 90 μm im Mittel ca. 310 μC betragt und die maximale Ladung Q max der Aktoren P5 bis PlO mit erfindungsgemaß erhöhter, verdoppelter Schichtdicke von 180 μm im Mittel ca. 162 μC betragt. Die Reduzierung der mittleren Ladung betragt somit ca. 48%.
Die Figur 3 zeigt in einer vergleichenden Darstellung einen dynamischen Aktorhub H dyn für die Vielschichtaktoren Pl bis P4 mit konventioneller Schichtdicke bei 100 V und für die Aktoren P5 bis PlO mit der doppelten Schichtdicke bei 200 V. Deutlich zu erkennen ist, dass der mittlere dynamische Aktorhub mit erfinderisch erhöhter doppelter Schichtdicke großer ist als bei konventioneller Schichtdicke. Der mittlere Aktorhub H dyn bei konventioneller Schichtdicke betragt 15,65 μm, wobei der dynamische Aktorhub H_dyn für die Aktoren P5 bis PlO mit doppelter Schichtdicke 18,6 μm im Mittel betragt. Die Erhöhung des mittleren Aktorhubs betragt somit ca. 19%.
Die Figur 4 zeigt eine vergleichende Darstellung des dynamischen Aktorhubs H_dyn für die Vielschichtaktoren Pl bis P4 mit konventioneller Schichtdicke bei 192 V und doppelter Schichtdicke bei 374 V. Dabei ist der mittlere dynamische Aktorhub H_dyn bei erfindungsgemaß doppelter Schichtdicke großer als bei Aktoren mit konventioneller Schichtdicke. Der mittlere dynamische Aktorhub H dyn für Aktoren mit konventio- neiler Schichtdicke betragt 35,52 μm, wahrend der dynamische Aktorhub für Aktoren mit doppelter Schichtdicke 39,72 μm betragt. Die Erhöhung des mittleren dynamischen Aktorhubs betragt somit ca. 12%.
Die Figuren 5a und 5b zeigen Messkurven des dynamischen Aktorhubs H dyn als Funktion der Zeit t bei einer Ansteuerung von 2,175 kV/mm elektrischem Feld, wobei für die Messungen der Figur 5a Schichten mit konventioneller Schichtdicke von 90 μm verwendet wurden und für die Messungen der Figur 5b Schichten mit erfindungsgemaß doppelter Schichtdicke von 180 μm und halber Schichtanzahl verwendet wurden. Die in den Figuren 5a und 5b dargestellten Werte entsprechen den in der Figur 4 aufgetragenen Werten des dynamischen Aktorhubs H_dyn .
Die Figuren 6a und 6b zeigen Messkurven des dynamischen Aktorhubs H_dyn und der maximalen Leistung Q_max eines Viel- schichtaktors mit einer Schichtdicke von 90 μm als Funktion der Zeit t bei einer Ansteuerspannung von 100 V. Die in der Figur 6a dargestellten Werte entsprechen den in der Figur 3, linke Figurenhalfte, aufgetragenen Werten des dynamischen Aktorhubs H dyn und die in der Figur 6b dargestellten Werte entsprechen den in der Figur 2, linke Figurenhalfte, aufgetragenen Werten der Ladung.
Vergleichend hierzu sind in den Figuren 7a und 7b Messkurven des dynamischen Aktorhubs H dyn und der maximalen Ladung
Q max eines Vielschichtaktors mit einer Schichtdicke von 180 μm und halber Schichtanzahl als Funktion der Zeit t bei einer Ansteuerspannung von 200 V gezeigt. Die in der Figur 7a dargestellten Werte entsprechen dabei den in der Figur 3, rechte Figurenhalfte, aufgetragenen Werten des dynamischen Aktorhubs und die in der Figur 7b dargestellten Werte entsprechen den in der Figur 2, rechte Figurenhalfte, aufgetragenen Werten der Ladungsmenge.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffeinspritzventil (1) für Einspritzanlagen insbesondere für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einem piezokeramischen Viel- schichtaktor (2), einer durch den Vielschichtaktor (2) betatigbaren Ventilnadel (3), welche mit einem Ventil- schließkorper (4) zusammenwirkt, der mit einem Ventil- sitzkorper (5) einen Dichtsitz (6) bildet, wobei der Vielschichtaktor (2) eine Anzahl von Schichten (7) von piezokeramischen Materials aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten
(7) zwischen 120 μm und 500 μm betragt.
2. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) zwischen 120 μm und 250 μm betragt.
3. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokeramischen Schichten (7) annähernd 120 μm betragt.
4. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der piezokerami- schen Schichten (7) annähernd 160 μm bis 190 μm betragt.
5. Brennstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (7) des Vielschichtaktors (2) als einzelne Folien ausgebildet sind.
6. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (7) aus keramischen Grunfo- lien, insbesondere auf Polyvinylbutyral-Basis, hergestellt sind.
7. Brennstoffeinspritzventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (7) aus mit Strontium, Kalium und Niob dotiertem Bleizirkonattitanat (PZT) - Keramikpulver hergestellt sind.
PCT/EP2006/066412 2005-09-28 2006-09-15 Brennstoffeinspritzventil Ceased WO2007036444A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005046429A DE102005046429A1 (de) 2005-09-28 2005-09-28 Brennstoffeinspritzventil
DE102005046429.7 2005-09-28

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007036444A1 true WO2007036444A1 (de) 2007-04-05

Family

ID=37714284

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/066412 Ceased WO2007036444A1 (de) 2005-09-28 2006-09-15 Brennstoffeinspritzventil

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005046429A1 (de)
WO (1) WO2007036444A1 (de)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6098691A (ja) * 1983-11-04 1985-06-01 Mitsubishi Rayon Co Ltd 積層型圧電式アクチユエ−タの製造方法
DE3533085A1 (de) 1985-09-17 1987-03-26 Bosch Gmbh Robert Zumessventil zur dosierung von fluessigkeiten oder gasen
DE19946836A1 (de) * 1999-09-30 2000-11-09 Bosch Gmbh Robert Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
DE10122676A1 (de) * 2000-05-11 2001-12-06 Denso Corp Piezoelektrisches Material und Herstellungsverfahren dafür
WO2002089227A2 (de) * 2001-04-30 2002-11-07 Epcos Ag Grünkörper, piezoelektrisches bauteil sowie verfahren zum herstellen eines piezoelektrischen bauteils
WO2003005482A1 (en) 2001-07-06 2003-01-16 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method of manufacturing waveguide, and waveguide
WO2005041316A1 (ja) * 2003-10-27 2005-05-06 Kyocera Corporation 積層型圧電素子
WO2005051862A1 (ja) * 2003-11-26 2005-06-09 Kyocera Corporation 圧電磁器及び積層型圧電体素子

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6098691A (ja) * 1983-11-04 1985-06-01 Mitsubishi Rayon Co Ltd 積層型圧電式アクチユエ−タの製造方法
DE3533085A1 (de) 1985-09-17 1987-03-26 Bosch Gmbh Robert Zumessventil zur dosierung von fluessigkeiten oder gasen
DE19946836A1 (de) * 1999-09-30 2000-11-09 Bosch Gmbh Robert Piezoaktor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
DE10122676A1 (de) * 2000-05-11 2001-12-06 Denso Corp Piezoelektrisches Material und Herstellungsverfahren dafür
WO2002089227A2 (de) * 2001-04-30 2002-11-07 Epcos Ag Grünkörper, piezoelektrisches bauteil sowie verfahren zum herstellen eines piezoelektrischen bauteils
WO2003005482A1 (en) 2001-07-06 2003-01-16 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Method of manufacturing waveguide, and waveguide
WO2005041316A1 (ja) * 2003-10-27 2005-05-06 Kyocera Corporation 積層型圧電素子
EP1686633A1 (de) * 2003-10-27 2006-08-02 Kyocera Corporation Mehrschichtiges piezoelektrisches bauelement
WO2005051862A1 (ja) * 2003-11-26 2005-06-09 Kyocera Corporation 圧電磁器及び積層型圧電体素子
EP1690844A1 (de) * 2003-11-26 2006-08-16 Kyocera Corporation Piezoelektrische keramik und laminierte piezoelektrische vorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005046429A1 (de) 2007-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1908131B1 (de) Verfahren zum herstellen eines monolithischen piezoaktors mit teilstapeln, monolithischer piezoaktor mit teilstapeln und verwendung des piezoaktors
DE19802302A1 (de) Piezoelektrischer Aktor
WO2006103154A1 (de) Monolithisches piezoelektrisches bauteil mit mechanischer entkopplungsschicht, verfahren zum herstellen des bauteils und verwendung des bauteils
EP2436051A1 (de) Piezoelektrisches bauelement
EP1530807B1 (de) Piezoaktor
EP2030263B1 (de) Piezoelektrischer aktor
EP2140508A1 (de) Piezoelektrisches bauteil mit sicherheitsschicht und infiltrationsbarriere und verfahren zu dessen herstellung
WO2007036444A1 (de) Brennstoffeinspritzventil
EP1233462A2 (de) Vielschichtaktor mit versetzt angeordneten Kontaktflächen gleich gepolter Innenelektroden für ihre Aussenelektrode
EP2798679B1 (de) Piezostack mit passivierung und verfahren zur passivierung eines piezostacks
EP2149922B1 (de) Piezoaktor mit passiven Bereichen am Kopf und/oder Fuss
DE102006001656A1 (de) Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102005052714B4 (de) Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102009029571A1 (de) Piezoaktor mit einem multifunktionalen Innenelektrodenaufbau
DE10121271A1 (de) Grünkörper, piezoelektrisches Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Bauteils
DE102005052686A1 (de) Piezoaktor und Verfahren zur Herstellung desselben
DE102010001249A1 (de) Piezoaktor mit einem Mehrlagenaufbau von Piezolagen
DE10154634A1 (de) Piezoelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung
DE102006004289A1 (de) Piezoelektrischer Aktor mit integriertem Piezoelektrischem Transformator
DE102006024958A1 (de) Piezoaktor mit einer Sicherheitsschicht, die ein Phasenübergangsmaterial aufweist, Verfahren zum Herstellen des Piezoaktors und Verwendung des Piezoaktors
DE102007037552A1 (de) Piezoelektrischer Aktor
WO2014009303A1 (de) Piezoelektrischer vielschichtaktor und einspritzventil
DE102008042867A1 (de) Piezoelektrischer Aktor
DE102008000537A1 (de) Piezoaktor
DE102005045435A1 (de) Piezoelektrischer Aktor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06793561

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1