BOECKING, Friedrich (Kahlhieb 34, Stuttgart, 70499, DE)
Ansprüche
1. Piezoelektrischer Aktor (2), insbesondere Aktor für Brennstoffeinspritzventile, mit einem Aktorkorper (24), der eine Vielzahl von keramischen Schichten (26A - 26D) und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten (26A - 26D) angeordneten Elektrodenschichten (27A - 27C) aufweist, und zumindest einer
Außenelektrode (30), die mit einem Teil der Elektrodenschichten (27A, 27C) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenelektrode (30) mehrere zumindest im Wesentlichen in einer Längsrichtung (38) des Aktorkorpers (24) verlaufende Langsdrahte (39A - 39C) und mehrere Schussdrahte (37A - 37E) aufweist, wobei ein Schussdraht (37A - 37E) so durch die Langsdrahte (39A - 39C) gefuhrt ist, dass ein Teil der Langsdrahte (39A - 39C) oberhalb und ein anderer Teil der Langsdrahte (39A - 39C) unterhalb des Schussdrahtes (37A - 37E) verlauft .
2. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Langsdrahte (39A - 39C) zumindest im Wesentlichen nebeneinander verlaufen und dass der Schussdraht (37A - 37E) so durch die Langsdrahte (39A - 39C) gefuhrt ist, dass von jeweils zwei der nebeneinander verlaufenden Langsdrahte (39A - 39C) einer oberhalb und ein anderer unterhalb des Schussdrahtes (37A - 37E) verlauft.
3. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Langsdrahte (39A - 39C) zumindest naherungsweise als schlangenformige Langsdrahte (39A - 39C) ausgestaltet sind.
4. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schussdraht (37A - 37E) zumindest naherungsweise als gerader Schussdraht (37A - 37E) ausgebildet ist.
5. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussdrahte (37A - 37E) zumindest im Wesentlichen parallel zueinander durch die Langsdrahte (39A - 39C) gefuhrt sind und dass ein Langsdraht (39A - 39C) in der Längsrichtung (38) abwechselnd oberhalb eines der Schussdrahte (37A - 37E) und unterhalb eines der Schussdrahte (37A - 37E) verlauft.
6. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussdrahte (37A - 37E) einen mittleren Durchmesser
(40) aufweisen, der großer ist als ein mittlerer Durchmesser
(41) der Langsdrahte (39A - 39C) .
7. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser (40) der Schussdrahte (37A - 37E) ein x-faches des mittleren Durchmessers (41) der Langsdrahte (39A - 39C) ist, wobei x großer als 1,0 und kleiner oder gleich 3 ist.
8. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Langsdrahte (39A - 39C) als flexible Langsdrahte (39A - 39C) ausgebildet sind.
9. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichent, dass die Langsdrahte (39A - 39C) aus einem Werkstoff gebildet sind, der eine Invarlegierung aufweist.
10. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussdrahte (37A - 37E) als steife Schussdrahte (37A - 37E) ausgestaltet sind.
11. Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussdrahte (37A - 37E) aus einem Werkstoff gebildet sind, der Messing und/oder Kupfer und/oder Silber aufweist.
12. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussdrahte (37A - 37E) in einer Querrichtung (42) des Aktorkorpers (24) verlaufen, wobei die Querrichtung (42) senkrecht zu der Längsrichtung (38) orientiert ist.
13. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schussdrahte (37A - 37E) in einer Richtung (44) verlaufen, die mit der Längsrichtung (38) einen Winkel (43) einschließt, der großer als 0° und kleiner als 90° ist.
14. Brennstoffeinspritzventil (1), insbesondere Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzundenden Brennkraftmaschinen, mit einem piezoelektrischen Aktor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und einem von dem Aktor (2) betatigbaren Ventilschließkorper (13), der mit einer Ventilsitzflache (11) zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. |
Beschreibung
Titel Piezoelektrischer Aktor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Aktor für ein Brennstoffeinspritzventil und ein Brennstoffeinspritzventil mit solch einem piezoelektrischen Aktor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Injektoren für Brennstoffeinspritzanla- gen von luftverdichtenden, selbstzundenden Brennkraftmaschinen.
Aus der DE 199 28 189 Al ist ein Piezoaktor zur Betätigung eines Ventils bekannt. Der bekannte Piezoaktor weist Außenelektroden auf, bei denen eine erste Schicht der Außenelektrode durch eine Metallflache und eine zweite Schicht der Außenelektrode als netz- oder gewebeartige Schicht ausgestaltet ist. Die Verbindung der beiden Schichten erfolgt beispielsweise punktweise, wobei zwischen den Kontaktierungen ein dehnbarer Bereich zu liegen kommt. Die netz- oder gewebeartige Außenelektrodenschicht dient zur Vermeidung von Querrissen, die von den Innenelektroden durch Delamination auftreten können, wobei durch die punktuelle Anlotung keine großen Schubspannungen bei der Dehnung des Piezoaktors in den Außenelektroden entstehen.
Der aus der DE 199 28 189 Al bekannte Piezoaktor hat den
Nachteil, dass sich die bei einer Dehnung des Piezoaktors in der Außenelektrode auftretenden Spannungen auf wenige Kontaktstellen aufteilen, so dass auf Grund der hohen Belastung der Kontaktstellen eine Beschädigung dieser möglich ist. Ferner ist die Ausgestaltung der Außenelektroden des bekannten Piezoaktors aufwandig und daher mit hohen Herstellungskosten verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteilhafte Wirkungen
Der erfindungsgemaße piezoelektrische Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das erfindungsgemaße Brennstoffeinspritzven- til mit den Merkmalen des Anspruchs 14 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine zuverlässige Kontaktierung zwischen der Außenelektrode und den keramischen Schichten gegeben und eine kostengünstige Herstellung möglich ist.
Durch die in den Unteranspruchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Aktors und des im Anspruch 14 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
Vorteilhaft ist es, dass die Langsdrahte nebeneinander verlaufen und dass der Schussdraht so durch die Langsdrahte gefuhrt ist, dass von jeweils zwei nebeneinander verlaufenden Langsdrahten einer oberhalb und ein anderer unterhalb des Schussdrahtes ver ¬ lauft. Dabei können die Langsdrahte als schlangenformige Langsdrahte ausgestaltet sein, wobei die Schussdrahte als naherungsweise gerade Schussdrahte ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass eine relativ dichte, webartige Struktur der Außenelektrode erreicht wird, die in Längsrichtung dehnbar ist, die hohen Spannungen standhalt und die eine zuverlässige Verbin ¬ dung mit den Elektrodenschichten des Aktorkorpers ermöglicht.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Schussdrahte einen größeren Durchmesser aufweisen als die Langsdrahte, wobei der Durchmesser der Schussdrahte vorzugsweise das x-Fache des Durchmessers der Langsdrahte mit x großer als 1,0 und kleiner oder gleich 3 ist. Bei dieser Ausgestaltung schlingen sich dünne, flexible und als Hubdrahte ausgestaltete Langsdrahte um relativ steif ausgestaltete Schussdrahte, so dass sich eine flexible Struktur der Außenelektrode ergibt, die hohen Belastungen standhalt.
Die Langsdrahte und die Schussdrahte können aus den gleichen oder auch aus verschiedenen Werkstoffen ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Schussdrahte aus Messing, Kupfer, Silber oder einer Kombination dieser Werkstoffe hergestellt, wahrend die Langsdrahte vorzugsweise aus einer Invarlegierung hergestellt sind. Eine solche Invarlegierung kann beispielsweise aus einem Stahl mit einem Anteil von 36 % Nickel hergestellt sein, so dass sich die Langsdrahte beim Erwarmen nicht beziehungsweise fast nicht ausdehnen.
Die Schussdrahte können in einer Querrichtung, das heißt senkrecht zur Längsrichtung, verlaufen oder in Bezug auf die Querrichtung auch unter einem gewissen Winkel durch die Langsdrahte gefuhrt sein, so dass die Schussdrahte in einer Richtung verlaufen, die mit der Längsrichtung einen Winkel einschließt, der großer als 0° und kleiner als 90° ist.
Die aus den Längs- und den Schussdrahten gebildete Struktur der Außenelektrode kann auf geeignete Weise mit den Elektrodenschichten des Aktorkorpers, insbesondere durch Loten, verbunden sein. Diese Lotverbindung kann dabei relativ großflächig ausgestaltet sein und ist nicht notwendigerweise auf wenige Kontaktpunkte beschrankt, wobei die Flexibilität der Außenelektrode in Bezug auf die beim Betatigen des Aktors erfolgende Dehnung des Aktorkorpers durch die flexible Struktur gewahrleistet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefugten Zeichnungen, in den sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, naher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen Aktor in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des piezoelektrischen Aktors des Brennstoffeinspritzventils des ersten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 3 eine auszugsweise Darstellung eines piezoelektrischen Aktors eines Brennstoffeinspritzventils gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung aus der in Fig. 2 mit I bezeichneten Blickrichtung und
Fig. 4 den in Fig. 3 dargestellten Ausschnitt eines piezoelektrischen Aktors eines Brennstoffeinspritzventils gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Ausfuhrungsformen der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffeinspritzventil 1 mit einem piezo ¬ elektrischen Aktor 2 entsprechend einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, selbstzundenden 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 fuhrt. Der erfindungsgemaße piezoelektrische Aktor 2 eignet sich besonders für solch ein Brennstoffeinspritzventil 1. Das erfindungsgemaße Brennstoffeinspritzventil 1 und der erfindungsgemaße Aktor 2 eignen sich jedoch auch für andere Anwendungsfalle.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein Ventilgehause 3 mit einem Brennstoffeinlassstutzen 4 auf. An den Brennstoffeinlassstutzen 4 ist eine Brennstoffleitung anschließbar, um Brennstoff in einen im Inneren des Ventilgehauses 3 vorgesehenen Aktorraum 5 einzuleiten. Der Aktorraum 5 ist durch ein Gehauseteil 6 von einem ebenfalls im Inneren des Ventilgehauses 3 vorgesehenen Brennstoffräum 7 getrennt, wobei das Gehauseteil 6
Durchlassoffnungen 8, 9 aufweist, um den zugefuhrten Brennstoff über den Aktorraum 5 in den Brennstoffräum 7 zu leiten.
An einem Ventilsitzkorper 10, der mit dem Ventilgehause 3 verbunden ist, ist eine Ventilsitzflache 11 ausgebildet, die mit einem von dem piezoelektrischen Aktor 2 mittels einer Ventilnadel 12 betatigbaren Ventilschließkorper 13 zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Dabei ist der Ventilschließkorper 13 über die Ventilnadel 12 mit einer Druckplatte 15 verbunden, die innerhalb des Aktorraums 5 angeordnet ist. Ferner ist die
Ventilnadel 12 durch das Gehauseteil 6 in axialer Richtung, das heißt in Richtung einer Achse 16 des Ventilgehauses 3 des Brennstoffeinspritzventils 1, gefuhrt. Innerhalb des Aktorraums 5 ist außerdem eine Ventilfeder 16 vorgesehen, die den Ventilschließkorper 13 über die Druckplatte 15 und die
Ventilnadel 12 mit einer Schließkraft beaufschlagt, so dass der zwischen dem Ventilschließkorper 13 und der Ventilsitzflache 11 gebildete Dichtsitz geschlossen ist.
An den Ventilgehause 3 ist außerdem ein Anschlusselement 20 ausgebildet, um das Brennstoffeinspritzventil 1 an eine elektrische Zuleitung anzuschließen, wobei die elektrische Zuleitung mittels eines Steckers mit elektrischen Leitungen 21, 22 verbunden werden kann. Die elektrischen Leitungen 21, 22 sind durch das Ventilgehause 3 und einen Aktorfuß 23 des Aktors 2 zu einem Aktorkorper 24 des Aktors 2 gefuhrt. Ferner weist der Aktor 2 einen Aktorkopf 25 auf.
Der Aktorkorper 24 des piezoelektrischen Aktors 2 weist eine Vielzahl von keramischen Schichten 26A, 26B, 26C, 26D und eine Vielzahl von zwischen den keramischen Schichten 26A bis 26D angeordneten Elektrodenschichten 27A, 27B, 27C auf. Dabei sind zur Vereinfachung der Darstellung nur die keramischen Schichten 26A bis 26D sowie die Elektrodenschichten 27A bis 27C gekennzeichnet. Ein Teil der Elektrodenschichten 27A, 27B, 27C ist dabei über eine Außenelektrode 28 mit der elektrischen Leitung 21 verbunden, wobei die Außenelektrode 28 an einer
Außenseite 29 des Aktorkorpers 24 mit dem Aktorkorper 24 und in dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel mit der Elektrodenschicht 27B verbunden ist. Ein anderer Teil der Elektrodenschichten 27A bis 27C ist über eine Außenelektrode 30 mit der elektrischen Leitung 22 verbunden, wobei die Außenelektrode 30 an einer
Außenseite 31 des Aktorkorpers 24 mit dem Aktorkorper 24 sowie den Elektrodenschichten 27A, 27C verbunden ist.
über die elektrischen Leitungen 21, 22 kann der Aktor 2 geladen werden, wobei sich dieser entlang der Achse 16 ausdehnt, so dass der zwischen dem Ventilschließkorper 13 und der Ventilsitzflache 11 ausgebildete Dichtsitz geöffnet wird. Dadurch kommt es zum Abspritzen von Brennstoff aus dem Brennstoffräum 7 über einen Ringspalt 35 und den geöffneten Dichtsitz. Beim Entladen des Aktors 2 zieht sich dieser dann zusammen, so dass der zwischen dem Ventilschließkorper 13 und der Ventilsitzflache 11 ausgebildete Dichtsitz wieder geschlossen ist.
Die über die Außenelektrode 28 mit der elektrischen Leitung 21 verbundenen Elektrodenschichten 27B können beispielsweise die positiven Elektrodenschichten 27B bilden, wahrend die mittels der Außenelektrode 30 mit der elektrischen Leitung 22 verbundenen Elektrodenschichten 27A, 27C die negativen Elektrodenschichten 27A, 27C bilden. Die Verbindung der Elektrodenschichten 27A, 27C mit der elektrischen Leitung 22 ist anhand der Fig. 2 und 3 im Detail weiter beschrieben. Die Verbindung der Elektrodenschichten 27B über die Außenelektrode 28 mit der elektrischen Leitung 21 kann auf entsprechende Weise erfolgen .
Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt eines piezoelektrischen Aktors 2 eines Brennstoffeinspritzventils 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Aktorkorper 24 weist die Außenseite 31 auf, wobei sich die Elektrodenschichten 27A, 27C bis zu der Außenseite 31 erstrecken, wahrend die
Elektrodenschicht 27B etwas beabstandet zu der Außenseite 31 ausgestaltet ist. In Bezug auf die in der Fig. 1 dargestellte
Außenseite 29 des Aktorkorpers 24, die der Außenseite 31 gegenüberliegt, erstreckt sich die Elektrodenschicht 27B bis zu der Außenseite 29, wahrend die Elektrodenschichten 27A, 27C etwas beanstandet zu der Außenseite 29 ausgestaltet sind. Die Außenelektrode 30 ist mittels einer Verbindungsschicht 36 mit den Elektrodenschichten 27A, 27C verbunden, wobei die Verbindungsschicht 36 beispielsweise aus einem Lot ausgebildet ist, um die Außenelektrode 30 mit den Elektrodenschichten 27A, 27C zu verlöten. Die Außenelektrode 30 weist nebeneinander angeordnete und parallel zueinander verlaufende Schussdrahte
37A, 37B, 37C auf. Ferner weist die Außenelektrode 30 in einer Längsrichtung 38 des Aktorkorpers 24 verlaufende Langsdrahte 39A, 39B auf. Dabei verlaufen die Langsdrahte 39A, 39B nebeneinander und sind jeweils schlangenformig ausgestaltet. Daher verlauft der Langsdraht 39A zunächst oberhalb des
Schussdrahts 37A, dann unterhalb des Schussdrahts 37B und dann oberhalb des Schussdrahtes 37C. Der Langsdraht 39B, der neben dem Langsdraht 39A angeordnet ist, verlauft hingegen zunächst unterhalb des Schussdrahts 37A, dann oberhalb des Schussdrahts 37B und dann unterhalb des Schussdrahts 37C.
Ein Durchmesser 40 des Schussdrahts 37B ist großer gewählt als ein Durchmesser 41 des Langsdrahts 39A. In diesem Ausfuhrungsbeispiel weisen alle Schussdrahte 37A, 37B, 37C zumindest in etwa den gleichen Durchmesser 40 auf. Die Langsdrahte 39A, 39B weisen ebenfalls den gleichen Durchmesser 41 auf, so dass sich ein mittlerer Durchmesser 41 der Langsdrahte 39A, 39B ergibt. Der mittlere Durchmesser 40 der Schussdrahte 37A bis 37C ist das x-fache des mittleren Durchmessers 41 der Langsdrahte 39A, 39B, wobei x großer als 1,0 und kleiner oder gleich 3 ist. Somit schlingen sich die relativ dünnen und flexiblen Langsdrahte 39A, 39B um die relativ steifen und im Wesentlichen geradeaus gestalteten Schussdrahte 37A bis 37C.
Die elektrische Leitung 22 ist auf geeignete Weise, insbesondere durch Loten oder Schweißen, mit der Außenelektrode 30, insbeson-
dere den Schussdrahten 37A bis 37C und/oder den Langsdrahten 39A, 39B verbunden.
Fig. 3 zeigt eine auszugsweise Darstellung des piezoelektrischen Aktors 2 des Brennstoffeinspritzventils 1 des ersten Ausfuhrungsbeispiels aus der in den Fig. 1 und 2 mit I bezeichneten Blickrichtung. Dabei ist ein weiterer Schussdraht 37D dargestellt, der neben dem Schussdraht 37A verlauft. Ferner ist ein weiterer Langsdraht 39C dargestellt, der neben dem Langsdraht 39B in der Längsrichtung 38 verlauft und der entsprechend dem Langsdraht 39A um die Schussdrahte 37A bis 37D gefuhrt ist.
Der Schussdraht 37C verlauft in einer Querrichtung 42, die senkrecht zur Längsrichtung 38 orientiert ist, so dass die
Querrichtung 42, in der der Schussdraht 37C verlauft, mit der Längsrichtung 38 einen Winkel 43 von 90° einschließt. Die Schussdrahte 37A, 37B, 37D verlaufen parallel zu dem Schussdraht 37C, so dass auch diese in der Querrichtung 42 verlaufen und somit senkrecht zu der Längsrichtung 38 orientiert sind. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 stimmt die Längsrichtung 38 des Aktorkorpers 24 mit einer Hubrichtung des Aktorkorpers 24 uberein. Ferner ist die Längsrichtung 38 bei dem in der Fig. 1 dargestellten Brennstoffeinspritzventil 1 in Richtung der Achse 16 des Ventilgehauses 3 orientiert.
Fig. 4 zeigt den in Fig. 3 dargestellten Ausschnitt eines piezoelektrischen Aktors 2 eines Brennstoffeinspritzventils 1 gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Dabei ist ein weiterer Schussdraht 37E dargestellt, der neben dem
Schussdraht 37D angeordnet ist und parallel zu dem Schussdraht 37D verlauft.
Die Schussdrahte 37A bis 37E verlaufen parallel zueinander in einer Richtung 44, die verschieden zu der Querrichtung 42 ist, wodurch die Schussdrahte 37A bis 37E nur teilweise in der Querrichtung 42 verlaufen. Dabei schließt die Richtung 44, in
der die Schussdrahte 37A bis 37E verlaufen, mit der Längsrichtung 38, in der die Langsdrahte 39A bis 39C verlaufen, einen Winkel 43 ein, der großer als 0° und kleiner als 90° ist.
Bei den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispielen ist jeder der Schussdrahte 37A bis 37E so durch die Langsdrahte 39A, 39B, 39C gefuhrt, dass von jeweils zwei der nebeneinander verlaufenden Langsdrahte 39A, 39B, 39C einer oberhalb und der andere unterhalb des jeweiligen Schussdrahtes 37A bis 37E verlauft. Die Schussdrahte 37A bis 37E sind als steife
Schussdrahte ausgestaltet, wobei Werkstoffe wie Messing, Kupfer und/oder Silber zum Einsatz kommen können. Die Langsdrahte 39A bis 39C sind vorzugsweise flexibel ausgestaltet, wobei die Ausgestaltung aus einer Invarlegierung mit beispielsweise einem Anteil von 36 % Nickel vorteilhaft ist, um eine temperaturbedingte Ausdehnung der Langsdrahte 39A bis 39C beim Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 zu vermeiden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausfuhrungs- beispiele beschrankt.
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