Beschreibung
Titel Piezoaktor
Die Erfindung betrifft einen zumindest teilweise ummantelten, beispielsweise von flüssigen Medien umströmten Piezoaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Hauptanspruchs.
Stand der Technik Es ist an sich bekannt, dass zum Aufbau des zuvor erwähnten Piezoaktors ein Piezoelement so eingesetzt werden kann, dass unter Ausnutzung des sogenannten Piezoeffekts eine Steuerung des Nadelhubes eines Ventils oder dergleichen vorgenommen werden kann. Das Piezoelement ist aus einem Material mit einer geeigneten Kristallstruktur so aufgebaut, dass bei Anlage einer äußeren elektrischen Spannung eine mechanische Reaktion des Piezoelements erfolgt, die in Abhängigkeit von der Kristallstruktur und der Anlagebereiche der elektrischen Spannung einen Druck oder Zug in eine vorgebbare Richtung darstellt. Derartige Piezoaktoren eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen Hubbewegungen unter hohen Betätigungskräften und hohen Taktfrequenzen ablaufen.
Beispielsweise ist ein solcher Piezoaktor als Bestandteil eines Piezoinj ektors aus der DE 10026005 Al bekannt, der zur An- Steuerung der Düsennadel bei Injektoren zur Einspritzung von
Kraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors verwendet werden kann. Bei diesem Piezoaktor ist ein Piezoelement als
Stapel mehrerer elektrisch miteinander gekoppelter piezo- keramischer Schichten aufgebaut, das über einen Aktorfuß und einen Aktorkopf unter Vorspannung zwischen zwei Anschlagen gehalten ist. Jede piezokeramische Schicht ist als Piezolage zwischen zwei Innenelektroden eingefasst, über die von außen eine elektrische Spannung angelegt werden kann. Aufgrund dieser elektrischen Spannung fuhren die piezokeramischen Schichten dann jeweils kleine Hubbewegungen in Richtung des Potenzi- algefalles aus, die sich zum Gesamthub des Piezoaktors addie- ren. Dieser Gesamthub ist über die Hohe der angelegten Spannung veränderbar und kann auf ein mechanisches Stellglied u- bertragen werden.
Solche bekannte Anordnungen werden häufig zur Einbringung von Kraftstoff in direkt
t 'enoe Dieselmotoren als so ge- nannte Common Rail Systeme eingesetzt. Bei diesen als Common Rail Injektoren bekannten Systemen kann dabei der Einspritzdruck auf einfache Weise an die Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors angepasst werden.
Diese Common Rail Injektoren können dabei so aufgebaut werden, dass eine indirekt vom Piezoaktor gesteuerte Dusennadel vorhanden ist, wobei der Piezoaktor direkt oder indirekt vom Druck des Kraftstoffs umgeben ist und zwischen der Dusennadel und dem Piezoaktor lediglich ein hydraulischer Kopplungsraum vorgesehen ist. Insbesondere bei solchen Einspritzsystemen ist es wichtig, dass der relativ empfindliche Piezoaktor im Inneren eines HaI- tekorpers medienbestandig aufgebaut ist. Der Piezoaktor muss dabei gegenüber den verschiedenen Kraftstoffen als auch gegenüber wechselnden Drucken und Temperaturen resistent sein. Wei- terhin ist bei der Montage und beim Transport ein sicheres
Handling erforderlich und zusatzlich ist auch noch ein Schutz vor mechanischem Stoß oder Druck insbesondere hinsichtlich der elektrischen Isolierung notwendig.
Um eine elektrische und mechanische Isolierung des Piezoaktors zu erreichen, wird oft eine Ummantelung des Piezoaktormoduls
vorgeschlagen. Aus der DE 10230032 Al ist zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Nachteile eine Anordnung mit einem Piezo- aktor in umströmenden Medien bekannt, bei der die Keramikschichten des Piezoelements in einer formveränderlichen Isola- tionsmasse vergossen sind, die wiederum in einem seitlich und am oberen und unteren Ende gegenüber dem Medium verschlossenen metallischen Gehäusemantel als Hülse eingebracht ist.
Zu beachten ist hierbei vor allem das Problem der Abdichtung eines Beschichtungswerkstoffs des Piezoaktors und gegebenen- falls einer Hülse an den Endstellen an einem Aktorfuß, einem Aktorkopf und eventuell an einem Haltekörper, in der Regel aus Stahl, um die Anordnung auch hier vor mechanischen Einflüssen zu schützen. Da der Piezoaktor und die Beschichtung oder Um- mantelung im Betrieb auch durch seinen Hub zusätzliche mecha- nische Dehnkräfte aufnehmen muss, werden in herkömmlicher Weise auch Metallhülsen in Verbindung mit Membranen verwendet. Die bekannten Anordnungen sind jedoch in der Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Piezoaktor mit einem Piezoelement aus, das aus einem Mehrschichtaufbau von Piezolagen besteht, wobei zwischen den Piezolagen angeordnete Innenelektroden in Richtung des Lagenaufbaus des Piezo- elements abwechselnd mit einer unterschiedlichen Polarität einer elektrischen Spannung beaufschlagt sind, mit einem Aktorfuß und einem Aktorkopf und mit einem mindestens die Piezolagen umgebenden Isolationsmedium. Gemäß der Erfindung ist in vorteilhafter Weise die Oberfläche des Piezoelements mit einer ersten elektrischen Isolationsschicht versehen. Weiterhin ist der Piezoaktor, eventuell mitsamt seines unter axialer Vorspannung zusammengehaltenen Aktorfußes und Aktorkopfes mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie umwickelt und auf die Folie und die Verbindungsstellen des Piezoelements zum
Aktorfuß und zum Aktorkopf überlagernd ist eine Lage eines Kunststoffs aufgetragen.
Mit der Erfindung ist somit ein kostengünstig herstellbarer Piezoaktor gebildet, der wie eingangs erwähnt, Bestandteil ei- nes Piezoinjektors für ein Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor sein kann, wobei der Kraftstoff den Kunststoff umströmt. Durch die vorgeschlagene Ummantelung ist der erfindungsgemäße Piezoaktor äußerst medienbeständig und gewährleistet außerdem ein sicheres Handling beim Transport und bei der Montage.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform laufen ü- berstehende Enden der metallischen Folie zumindest im Bereich des Aktorfußes in einer Verlängerung zusammen und können somit dicht zu einer im wesentlichen zylindrischen Form zusammenge- ballt werden, die sich axial weiter erstreckt. Vorteilhaft ist es dabei außerdem, wenn im Aktorfuß eine zentrale axiale Bohrung vorhanden ist, in die die zusammenlaufenden Folienenden im Verbund hineingeführt sind.
Der für die hier gegebene mechanische und thermische Beanspruchng teilelastische Kunststoff, der als letzte Schicht aufgetragen wird, kann auf einfache Weise aus einer Kunst- stoffumspritzung bestehen, die mit festen Partikeln angereichert ist. Hierbei kann die Kunststoffumspritzung vorzugsweise ein Kunststoff PA66 oder ähnliches sein und die festen Parti- kel, insbesondere zur Verbesserung der Wärmeleitung im Kunststoff, können zum Beispiel aus Metall oder Silizium bestehen.
Die erste elektrische Isolationsschicht auf der Oberfläche des Piezoelements ist vorzugsweise ein in an sich bekannter Weise aufgetragener elektrisch isolierender Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm. Die darauf gewickelte metallische Folie kann beispielsweise eine Dicke von ca. 10 bis 20 μm betragen.
Abhängig von dem jeweiligen Einsatz des Piezoaktors in einem Aggregat kann der Piezoaktor einen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Piezoaktors werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch einen mit einer Folie und einer Kunststoffumspritzung versehenen, ummantelten Piezo- aktor mit einem Aktorkopf und einem Aktorfuß,
Figur 2 einen Schnitt durch den Piezoaktor nach der Figur 1 mit rechteckigem Querschnitt und Figur 3 einen Schnitt durch einen mit einer Folie und einer Kunststoffumspritzung versehenen, ummantelten Piezoaktor mit überstehenden zusammengeführten Enden der Folie in einer Bohrung des Aktorfußes.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist ein Piezoaktor 1 gezeigt, der beispielsweise zur Nadelhubsteuerung im Einspritzsystem für Kraftstoff bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann. Ein Piezoele- ment 2 ist Bestandteil des Piezoaktors 1, der weiterhin noch einen Aktorfuß 3 und einen Aktorkopf 4 zumeist aus Stahl aufweist. Gemäß Figur 2 ist erkennbar, dass der Piezoaktor 1 einen rechteckigen Querschnitt aufweist, er kann jedoch, je nach Anwendungsfall, auch einen runden oder sonst wie angepassten Querschnitt aufweisen.
Im Piezoelement 2 sind hier nicht explizit dargestellte Innenelektroden vorhanden, die über, hier ebenfalls nicht gezeigte, durch den Aktorfuß 3 geführte elektrische Zuleitungen und über Außenelektroden kontaktiert sind. Bei einer Betätigung des Piezoaktors 1 durch eine Spannungsbeaufschlagung der Innen- elektroden kann eine hier axial hinter dem Aktorkopf 4 befindliche mechanische Anordnung derart betätigt werden, dass hier beim oben erwähnten Anwendungsfall eine Freigabe einer Düsenöffnung des Einspritzsystems erfolgen kann.
Der Piezoaktor 1 ist in der Regel in einen hier nicht gezeigten Halte- oder Injektorkörper eingebaut, wobei der Kraftstoff durch den Innenraum des Injektorkörpers am Piezoaktor 1 vor- geigeführt wird. Dieser Kraftstoff kann dann beispielsweise bei einem sogenannten Common Rail System unter dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten Raildruck oder einem anderen vorgebbaren Druck in den Brennraum eines hier nicht dargestellten Verbrennungsmotors injiziert werden.
Um den Piezoaktor 1 vor dem umströmenden Kraftstoff und vor sonstigen schädlichen Einwirkungen zu schützen, ist der Piezoaktor 1 mit der erfindungsgemäßen Ummantelung versehen, bei der zunächst die Oberfläche des Piezoelements 2 mit einer hier ersten elektrischen Isolationsschicht 11 versehen wird, die aus einem elektrisch isolierenden Lack in einer Dicke von ca. 100 bis 200 μm besteht.
Weiterhin ist der Piezoaktor mit mindestens einer Lage einer metallischen Folie 5, beispielsweise mit einer Dicke von ca. 10 bis 20 μm, umwickelt, die auf den Piezoaktor auf das Piezo- element 2 und zumindest teilweise auch auf den Aktorfuß 3 und den Aktorkopf 4 aufgewickelt ist. Dabei sollte das Piezoele- ment 2 mit dem Aktorfuß 3 und dem Aktorkopf 4 unter axialer Vorspannung zusammengehalten und ausgerichtet werden. Auf die Folie 5 und diese überlappend ist eine Lage eines Kunststoffes 6 aufgetragen.
Der hier vorzugsweise teilelastische Kunststoff 6, der als letzte Schicht aufgetragen wird, kann auf einfache Weise aus einer Kunststoffumspritzung, zum Beispiel aus PA66, bestehen, die mit festen Partikeln, zum Beispiel aus Metall oder Silizium, angereichert ist. Bei einer entsprechenden Auswahl einer Kunststoffumspritzung und der dabei verwendeten Herstellungsapparatur kann eventuell sogar auf die zuvor erwähnte Vorspannung, zum Beispiel mit Rohr- oder Schraubenfedern, zwischen den Elementen des Piezoaktors 1 bei der Umwicklung und der Um- spritzung verzichtet werden.
Aus Figur 2 ist ein weitergebildetes Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem das Piezoelement 2 nahezu vollständig umwickelt ist und überstehende Enden 7 der Folie 5 im Bereich des Aktorfußes 3 zusammenlaufen und dann dicht zu einer im wesent- liehen zylindrischen Form zusammengeballt werden, die sich a- xial in eine Bohrung 8 im Aktorfuß 3 erstreckt. Auch hier ist eine Kunstoff 6 als Kunsstoffumspritzung aufgetragen. Aus der Figur 2 ist auch noch schematisch zu entnehmen, wie der Aktorfuß 3 über Dichtkanten 9 an einem Haltekörper 10 anliegt, der hier nur angedeutet ist.