CN104797807A - 压电喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有致动器腔室(170)的压电喷射器，压电致动器(180)布置在所述致动器腔室(170)中。压电喷射器包括上部段也就是喷射器主体(150)和下部段也就是喷嘴主体(140)。压电喷射器还具有形成在所述喷嘴主体中的控制活塞孔(200)，其中控制套筒(220)布置在所述控制活塞孔(200)中，控制活塞(340)接收于所述控制套筒(220)中。控制套筒(220)密封抵靠中间板(260)，且第一前面(240)面向所述压电致动器(180)。所述控制活塞(340)具有面向所述压电致动器(180)的第一面(360)，其中所述控制活塞(340)的第一前面(360)和所述控制套筒(220)的面向所述压电致动器(180)的截面形成第一控制腔室(380)。

Description

压电喷射器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1所述的压电喷射器。
背景技术
具有直接燃料喷射的内燃机是已知的。对于直接燃料喷射，使用的是喷射阀，例如压电喷射器，所述压电喷射器的喷嘴针阀借助于压电致动器驱动。在这里，致动器与喷嘴针阀之间设置液压发射器单元。致动器的偏转被转化成喷嘴针阀的对应偏转。为此目的，压电致动器与喷嘴针阀之间的几乎无游隙的联接是必需的。然而，因为压电喷射器的长度存在热诱导变化，所以此种无游隙的联接难以维持。如果压电致动器与喷嘴针阀之间的空转冲程过小，那么这可能导致喷嘴针阀闭合不完全。如果压电致动器与喷嘴针阀之间的空转冲程过大，那么这会引起用于致动压电喷射器所需要的致动能增加。根据现有技术，众所周知的是须借助于合适的材料选择和几何结构来补偿长度的热诱导变化。然而，这会引起高制造成本且大大地限制压电喷射器设计中的结构自由度。
发明内容
本发明的目的是提供一种压电喷射器，所述压电喷射器的长度变化自动得到补偿，并且其特征在于一种制造简单的紧凑构造。所述目的借助于具有根据权利要求1所述的特征的压电喷射器实现。从属权利要求指定优选的改进。
根据本发明的压电喷射器包括：致动器腔室(170)，压电致动器布置在所述致动器腔室中；控制活塞孔，控制套筒布置在所述控制活塞孔中，所述控制套筒中容纳有控制活塞，其中所述控制套筒借助于其面向压电致动器的面侧以密封方式邻接中间板，其中所述控制活塞具有面向压电致动器的第一面侧，其中控制活塞的所述第一面侧和控制套筒的面向压电致动器的截面形成第一控制腔室。另外，压电喷射器包括具有第二面侧的喷嘴针阀，其中喷嘴针阀在控制活塞的中心、圆柱形孔中被以可位移的方式引导，其中控制活塞中的中心孔和喷嘴针阀的第二面侧形成第二控制腔室，并且另外第一控制腔室与第二控制腔室之间有至少一个连接孔，所述至少一个连接孔设置在控制活塞中以便在第一控制腔室与第二控制腔室之间传递压力变化。而且，所述压电喷射器包括泄漏销，所述泄漏销布置在压电致动器与控制活塞的第一面侧之间，位于中间板中的泄漏销孔中，并且所述泄漏销将致动器冲程直接传递至控制活塞，其中弹簧腔室设置在控制活塞和控制套筒的背离所述第一控制腔室的那一末端处。
在所述压电喷射器中，压电致动器与喷嘴针阀之间有利地存在液压联接件，所述液压联接件整合到喷嘴中。所述液压联接件有利地实现游隙补偿和冲程传递。以此方式，温度影响、驱动装置中接触点处的磨损以及因压电致动器极性状态的变化而引起的压电喷射器长度的变化可得到补偿。这有利地使得喷射器可能够由任何期望的材料制造而成，无需将所述材料的热膨胀特性纳入考虑。因此，能够使用特别耐高压的材料。有利的情况是，在压电喷射器的装配期间，省去了用于空转冲程的累赘设置过程，从而降低压电喷射器的制造成本。因为空转冲程的除去，压电喷射器的致动所需的能量也减少。压电喷射器的另一个优点在于，其在发动机动态操作过程中的喷射量稳定性提高。同样有利的是，相对于现有技术来说，压电喷射器中的压力损失降低。
有利的是，允许从第一控制腔室的第一泄漏，允许从高压区域至第一控制腔室中的第二泄漏以及允许从高压区域至第二控制腔室中的第三泄漏。在此情况下，第二泄漏和第三泄漏的总和至少与第一泄漏一样大，并且第二泄漏和第三泄漏的总和小到使得当喷嘴针阀打开时，由第二泄漏和第三泄漏在第二控制腔室中产生的压力增加不会导致喷嘴针阀闭合。第二泄漏和第三泄漏有利地防止第一泄漏导致喷嘴针阀无意打开。第二泄漏和第三泄漏还有利地防止当高压区域中存在非常陡峭的压力梯度时喷嘴针阀不期望地打开。
压电喷射器优选地具有连接至高压区域的高压孔。在此情况下，高压区域连接至弹簧腔室。接着有利的情况是，高压孔的高压在弹簧腔室中始终占主导地位。
有利的是，在弹簧腔室中布置有控制活塞弹簧，所述控制活塞弹簧利用在第一控制腔室的方向上作用的力迫使控制活塞邻接抵靠泄漏销。控制活塞弹簧在喷射过程已经结束之后，有利地实现控制活塞至其初始位置的返回运动。
同样有利的是，在弹簧腔室中布置有控制套筒弹簧，所述控制套筒弹簧迫使控制套筒邻接抵靠中间板。这有利地引起控制套筒与中间板之间的密封连接，据此第一控制腔室同样被封闭。
在压电喷射器的一个实施例中，在泄漏销与泄漏销孔之间存在第一配对间隙，所述第一配对间隙容许第一泄漏。在此情况下，第一配对间隙小于2 μm。有利的是，实验和模型计算已经显示此第一配对间隙引起充分小的第一泄漏。
在压电喷射器的另一个实施例中，在控制活塞与控制套筒之间存在第二配对间隙，所述第二配对间隙容许第二泄漏。在这里同样的是，模型计算和实验已经显示此种尺寸的第二配对间隙引起合适量级的第二泄漏。
在压电喷射器的一个实施例中，在喷嘴针阀与控制活塞之间存在第三配对间隙，所述第三配对间隙容许第三泄漏。在此情况下，第二配对间隙在4 μm与8 μm之间。
在模型计算和实验中已经有利地发现，在此范围内的第三配对间隙引起合适的第三泄漏。
压电致动器为全主动式压电堆叠的形式是特别优选的。可能有利地提供的是，压电致动器以密封方式与燃料分开，并且无需展示出特定耐燃料性。
附图说明
下面将以附图为基础更详细讨论本发明，其中：
图1示出根据本发明的具有液压直接驱动件的压电喷射器的部分截面图，所述液压直接驱动件整合到喷嘴针阀的喷嘴中，
图2示出图1中的细节A的放大视图，具体来说示出穿过整合到喷嘴针阀的喷嘴的液压直接驱动件的控制部分的截面视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的压电喷射器的部分截面图。压电喷射器100可用于喷射燃料至内燃机中。压电喷射器100可例如用于在共轨内燃机中喷射柴油。
压电喷射器100具有喷射器外壳110。喷射器外壳110可由大致上任何期望的材料组成，因为喷射器外壳110的热膨胀特性并不重要。具体来说，喷射器外壳110无需由殷钢（Invar）组成。
喷射器外壳110中布置有高压孔120，高增压燃料可通过高压端口注入所述高压孔120中。高压孔120在穿过喷射器外壳110的纵向方向上延伸至高压区域130，所述高压区域130将在下文的下部段140中也就是压电喷射器100的喷嘴主体中进一步讨论。压电喷射器100的上部段150，也就是喷射器主体150，另外具有泄漏端口160。
另外，喷射器外壳110在压电喷射器100的上部段150中具有致动器腔室170，所述致动器腔室170中布置有压电致动器180。压电致动器180为近似圆柱形形状，并且可通过电连接器190向压电致动器180施加电压，以便在纵向方向上改变压电致动器180的长度。
在下部段也就是喷嘴主体140中，压电喷射器100具有控制活塞孔200，所述控制活塞孔200中布置有控制套筒220。控制套筒220具有指向压电致动器180的方向的第一面侧240。借助于所述第一面侧240，控制套筒220以密封方式倚靠中间板260。借助于控制套筒弹簧300作用于控制套筒220的背离压电致动器180的第二面侧280上。所述控制套筒弹簧300利用力作用在控制套筒220上，所述力迫使控制套筒220与中间板260密封接触。在这里，控制套筒弹簧300布置在由控制活塞孔200形成的弹簧腔室320中。
控制活塞340以大约6 μm的小间隙配合在控制套筒220中。控制活塞340具有指向压电致动器180的方向的第一面侧360。控制活塞340的第一面侧360、中间板260和控制套筒220形成第一控制腔室380。
在与控制套筒220邻接的中间板260中形成泄漏销孔400。在所述泄漏销孔400中，泄漏销420以非常小的间隙配合在压电致动器180与控制活塞340之间。在此情况下，泄漏销420的长度的尺寸设定成使得压电致动器180的长度增加通过泄漏销420传递至控制活塞340的第一面侧360。在此情况下，泄漏销420以大约1 μm的第一配对间隙640配合在泄漏销孔400中，以使得即使存在高轨压力，从控制腔室380的充分小的燃料泄漏也就是第一泄漏645也是可能的。
在控制活塞300中形成圆柱形孔440，内部缸筒借助于所述圆柱形孔440提供在控制活塞340中。喷嘴针阀460借助于其面向压电致动器180的上端480以较窄配对间隙配合在控制活塞340的圆柱形孔440中，所述较窄配对间隙也就是大约4 μm的第三配对间隙。第二控制腔室500因此由圆柱形孔440的内部缸筒和控制活塞的圆柱形孔440中的喷嘴针阀460的第一面侧520形成。
控制活塞340中形成两个连接孔540、560，所述两个连接孔540、560连接第一控制腔室380和第二控制腔室500。所述连接孔540、560经设计以便在第一控制腔室380与第二控制腔室500之间传递压力变化。据指出，连接孔540、560的数量并不限于两个；还可能的是，只要确保两个控制腔室380和500之间的压力传递，仅需提供一个连接孔或提供多于两个连接孔。
在控制活塞340的定位成与控制活塞380的第一面侧360相对的所述面侧580上，布置有另一个弹簧600，弹簧600作用在控制活塞340上。所述弹簧600利用力作用在控制活塞340上，所述力在第一控制腔室380的方向上作用。
弹簧600与控制套筒弹簧300一样，布置在弹簧腔室320中。所述弹簧腔室320连接至高压区域130。因此，压力在高压孔120和高压区域130中占主导地位的燃料在压电喷射器100操作期间始终位于弹簧腔室320中。
另外，压电喷射器100的下部段140中布置有高压区域130，高压孔120在所述高压区域130中展开。喷嘴针阀460布置在高压区域130中，所述喷嘴针阀460的上端480如上所述在圆柱形孔440中被引导。
在压电喷射器100的闭合状态下，喷嘴针阀460倚靠压电喷射器的下部段140的下部尖端。压电致动器180被放电并展示其最小长度。压电喷射器100不执行燃料喷射。
如果压电致动器180通过电端子190充电并且因此压电致动器180的长度增加，那么压电致动器180通过泄漏销420在控制活塞340上施加力，所述力引起控制活塞340在弹簧腔室320的方向上运动。因此，第一控制腔室380的体积增加，据此第一控制腔室380中的压力降低。第一控制腔室380中的所述压降通过控制活塞340中的连接孔540、560直接传递至喷嘴针阀460的面侧520，并且因此传递至第二控制腔室500。如果第二控制腔室500中的压降低于特定值，那么作用在喷嘴针阀460上的闭合力因此降低。高压区域130的高压继续作用在喷嘴针阀460的下端上，因此产生喷嘴针阀460在第二控制腔室500的方向上的向上运动。因此，压电喷射器100打开以便喷射燃料。
控制活塞340的直径与上部喷嘴针阀面侧520处的直径的比率，并且因此第一控制腔室380的直径与第二控制腔室500的直径的比率，限定压电致动器冲程与喷嘴针阀冲程的传递比率。
喷嘴针阀460打开之后，可借助于压电致动器180的长度变化来控制喷嘴针阀460的冲程。可转而借助于通过电端子提供至压电致动器180的能量的变化而改变压电致动器180的长度。
如果压电致动器180随后放电并且因此缩短，那么作用在弹簧腔室320中的轨压力与控制套筒弹簧300在控制活塞340上的同样作用力一起，产生所述控制活塞在向后朝向其初始位置的方向上的运动，也就是在第一控制腔室380的方向上的运动。因此，第一控制腔室380中的压力增加，并且通过第一控制腔室380与第二控制腔室500之间的连接孔540、560，第二控制腔室500中的压力也增加。这引起喷嘴针阀460至压电喷射器100下部的下端的返回运动，据此压电喷射器100闭合，并且燃料喷射结束。
通过控制活塞弹簧300施加在控制活塞340上的弹簧力确保在压电喷射器100的闭合状态下，控制活塞340始终倚靠泄漏销420，并且由压电致动器180、泄漏销420和控制活塞340形成的驱动无游隙。这具有以下结果：波动的热边界条件、压电致动器180长度的变化以及接触区域中的磨损现象对于压电喷射器100输出的喷射量没有重大影响。
泄漏销420以第一配对间隙640配合至泄漏销孔400中。因为存在第一配对间隙640，所以从第一控制腔室380的第一泄漏645沿泄漏销420在压电喷射器100的布置在泄漏销420上方的区域中发生，第一泄漏645可通过泄漏端口160从所述泄漏销420逸出。因为在第一控制腔室380中占主导地位的高压，所以必须选择较小的第一配对间隙640，以便实现较小的第一泄漏645。在此情况下，第一配对间隙小于3 μm，特别优选地为大约1 μm。
控制活塞340以第二配对间隙660配合在控制套筒220中。如果第一控制腔室380中的压力低于弹簧腔室320中的压力，那么第二配对间隙660引起从弹簧腔室320沿控制活塞340至第一控制腔室380中的第二泄漏665。控制活塞340与控制套筒220之间的第二配对间隙660优选地在3 μm与10 μm之间，特别优选地在4 μm与8 μm之间，以便容许充分的第二泄漏665。
喷嘴针阀460借助于其上部480以第三配对间隙680配合至控制活塞340中的圆柱形孔440中。如果第二控制腔室500中的压力低于弹簧腔室320中的压力，那么透过第三配对间隙680的沿弹簧600和沿喷嘴针阀460的从弹簧腔室320至第二控制腔室500中的第三泄漏685是可能的。第三配对间隙680优选地在3 μm与10 μm之间，特别优选地在4 μm与8 μm之间。
在压电喷射器100的闭合状态下，沿泄漏销420的第一泄漏645引起燃料从第一控制腔室380流出。为了使流出第一控制腔室380的所述燃料流不会引起第一控制腔室380中的压降（所述压降将引起喷嘴针阀460无意间打开），必须借助于第二泄漏665和第三泄漏685来补偿因第一泄漏645引起的燃料损耗。因此，第二泄漏665和第三泄漏685的总和必须至少与第一泄漏645一样大。
在喷嘴针阀460的打开状态下并且因此在压电喷射器100的打开状态下，第二泄漏665和第三泄漏685引起流入第一控制腔室380中以及流入第二控制腔室500中的燃料流。燃料的流入产生第一控制腔室380中和第二控制腔室500中的压力增加。然而，压力的增加必须足够小，以使得不会引起喷嘴针阀460并且因此不会引起压电喷射器100的无意过早闭合。
第二泄漏665和第三泄漏685也是必要的，以便防止当高压区域中存在非常陡峭的压力梯度时喷嘴针阀460非期望地打开。

Claims (9)

1. 一种具有致动器腔室(170)的压电喷射器，压电致动器(180)布置在所述致动器腔室(170)中，
其中，所述压电喷射器包括上部段也就是喷射器主体(150)和下部段也就是喷嘴主体(140)，
所述压电喷射器具有形成在所述喷嘴主体中的控制活塞孔(200)，其中，控制套筒(220)布置在所述控制活塞孔(200)中，所述控制套筒(220)中容纳有控制活塞(340)，其中，所述控制套筒(220)借助于面向所述压电致动器(180)的第一面侧(240)密封地邻接中间板(260)，
其中，所述控制活塞(340)具有面向所述压电致动器(180)的第一面侧(360)，
其中，所述控制活塞(340)的所述第一面侧(360)和所述控制套筒(220)的面向所述压电致动器(180)的截面形成第一控制腔室(380)，
所述压电喷射器具有喷嘴针阀(460)，所述喷嘴针阀(460)具有第二面侧(520)，
其中，所述喷嘴针阀(460)在所述控制活塞(340)中的中心、圆柱形孔(440)中以可位移的方式被引导，
其中，所述控制活塞(340)中的所述中心孔(440)和所述喷嘴针阀(460)的所述第二面侧(520)形成第二控制腔室(500)，
所述压电喷射器具有在所述第一控制腔室(380)与所述第二控制腔室(500)之间的至少一个连接孔(540、560)，所述至少一个连接孔设置在所述控制活塞(340)中以便传递所述第一控制腔室(380)与所述第二控制腔室(500)之间的压力变化，
并且所述压电喷射器具有泄漏销(420)，所述泄漏销(420)布置在所述压电致动器(180)与所述控制活塞(340)的所述第一面侧(360)之间，位于所述中间板(260)的泄漏销孔(400)中，并且所述泄漏销(420)将致动器冲程直接传递至所述控制活塞(340)，
其中，弹簧腔室(320)设置在所述控制活塞(340)和所述控制套筒(220)的背离所述第一控制腔室(380)的那一末端处。
2. 根据权利要求1所述的压电喷射器，其中，容许从所述第一控制腔室(380)的第一泄漏(645)，
其中，容许从高压区域(130)至所述第一控制腔室(380)中的第二泄漏(665)，
其中，容许从所述高压区域(130)至所述第二控制腔室(500)中的第三泄漏(685)，
其中，所述第二泄漏(665)和所述第三泄漏(685)的总和至少与所述第一泄漏(645)一样大，
其中，所述第二泄漏(665)和所述第三泄漏(685)的总和小到使得当所述喷嘴针阀(460)打开时，由所述第二泄漏(665)和所述第三泄漏(685)在所述第二控制腔室(500)中产生的压力增加并不导致所述喷嘴针阀(460)闭合。
3. 根据权利要求1和2中任一项所述的压电喷射器，
其中，所述压电喷射器(100)具有高压孔(120)，其中，所述高压孔(120)连接至所述高压区域(130)，其中，所述高压区域(130)连接至所述弹簧腔室(320)。
4. 根据权利要求1至3中的一项所述的压电喷射器，
其中，在所述弹簧腔室(320)中布置有控制活塞弹簧(600)，所述控制活塞弹簧(600)利用在所述第一控制腔室(380)的方向上作用的力迫使所述控制活塞(340)邻接抵靠所述泄漏销(420)。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的压电喷射器，其中，在所述弹簧腔室(320)中布置有控制套筒弹簧(380)，所述控制套筒弹簧(380)迫使所述控制套筒(220)邻接抵靠所述中间板(260)。
6. 根据前述权利要求中的一项所述的压电喷射器，
其中，在所述泄漏销(420)与所述泄漏销孔(400)之间存在第一配对间隙(640)，其中，所述第一配对间隙(640)容许所述第一泄漏(645)，其中，所述第一配对间隙(640)小于2 μm。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的压电喷射器，其中，在所述控制活塞(340)与所述控制套筒(220)之间存在第二配对间隙(660)，
其中，所述第二配对间隙(660)容许所述第二泄漏(665)，
其中，所述第二配对间隙(660)在4 μm与8 μm之间。
8. 根据前述权利要求中的一项所述的压电喷射器，
其中，在所述喷嘴针阀(460)与所述控制活塞(340)之间存在第三配对间隙(680)，
其中，所述第三配对间隙(680)容许所述第三泄漏(685)，其中，所述第三配对间隙(680)在2 μm与8 μm之间。
9. 根据前述权利要求中的一项所述的压电喷射器，其中，所述压电致动器(180)为全主动式压电堆叠的形式。
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