CN101540561B - 带有使用预加载控制元件的压电致动器 - Google Patents

带有使用预加载控制元件的压电致动器 Download PDF

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Abstract

一种压电致动器包括壳套和放置在所述壳套中的压电元件。所述压电元件具有运行温度范围并包括在与运行温度范围叠加的第二温度范围有负热膨胀系数的热收缩材料。预加载荷控制元件与所述压电元件连结并包括在第二温度范围有正热膨胀系数的热膨胀材料。所述预加载荷控制元件在宽温度范围在所述压电元件上保持不变的预加载荷来抑制温度导致的运行中的变化性，并且对应温度升高可与所述压电元件的缩短相反地轴向伸长。

Description

带有使用预加载控制元件的压电致动器
技术领域
本公开通常涉及压电致动器和压电致动的装置，并且更特别地涉及在压电致动器运行时通过热膨胀预加载荷控制元件抑制变化性。 
背景技术
压电致动器在各种应用中的使用日益频繁。一种普通的设计中为了控制通过燃料喷射器的燃料喷射使用了压电致动器控制一个控制阀的位置。压电致动器被证明了有超过传统致动器系统例如电磁致动器的优势。尤其是，压电致动器在通常与燃料喷射器运行有关的要求的条件下有相对精确和重复性操作的能力。该通常出众的压电致动器的性能导致其在特定的燃料系统类型中替代传统的致动器。 
尽管压电致动器具有优势，但在商业上可行的燃料喷射系统中与压电致动器执行相关的一套特有的的挑战已经产生。例如，可能必需在压电致动器中使用的压电元件上施加预加载荷以便他们适当运行。换句话说，压电元件典型地被压缩保持在致动器组件或相似装置内，并且当电势被施加到该压电元件上时其对抗压缩力延伸。工程师们已经努力开发有效的方式在压电元件上施加并维持适当的预加载荷。压电致动器在使用过程中也会经受热导致的尺寸变化。 
制造压电致动器使用的许多材料在温度升高时会膨胀。通过弹簧等施加到压电元件上的预加载荷可因此随着压电致动器变化温度而变化。在许多情况下，最好相对精确地在压电元件上设定一个预加载荷以保证一致地运行。因为压电元件不一致的运行可能影响燃 料喷射器适当运行的能力，潜在地干扰精确地喷射时间安排，因温度变化而产生的预加载荷的改变可能使整个发动机的性能大打折扣。 
颁给Augustine et al.(″Augustine″)的美国专利显示具有补偿器的压电致动器。特别是，一个补偿器被应用于Augustine的压电致动器，该补偿器为补偿致动器的壳体的平行膨胀而膨胀。Augustine认识到将致动器的热膨胀影响减小到最小的重要性，并且在特定环境下可被有效地执行。在另外的例子里，然而，特别是在一定的温度范围或者使用某些材料制造致动器时，Augustine可能不起作用。 
发明内容
一方面，一种压电致动器包括壳套和放置在所述壳套中的有运行温度范围的压电元件。所述压电元件包括在与运行温度范围叠加的第二温度范围有负热膨胀系数的热收缩材料。所述压电致动器进一步包括对所述压电元件施加预加载荷力的预加载荷装置和与所述压电元件连结并包括在第二温度范围有正热膨胀系数的热膨胀材料的预加载荷控制元件。 
另一方面，一种燃料喷射器包括喷射器体和放置在所述喷射器体中的控制阀装置。所述燃料喷射器进一步包括为所述控制阀装置设置的致动器组件，所述致动器组件包括壳套和包括热收缩材料的放置在所述壳套中的压电元件。所述致动器组件进一步包括对所述压电元件施加预加载荷力的预加载荷装置，和对应于温度升高与所述压电元件的缩短相反地伸长的包括热膨胀材料的预加载荷控制装置。 
还有另一方面，一种抑制带有压电元件的压电致动器的运行中的变化性的方法，包括至少部分地基于所述压电元件的热收缩特性选择预加载荷控制元件的尺寸、成分和热膨胀系数中的一个或多个。所述方法进一步包括对应于温度升高与压电元件的缩短相反地膨胀所述预加载荷控制元件。 
附图说明
图1是根据一个具体实施例的燃料喷射器的部分截面的侧向示意图； 
图2a是压电致动器组件在第一温度时的概念图；和 
图2b是图2a中的压电致动器组件在第二温度，较高温度时的概念图。 
具体实施方式
参见图1，显示根据一具体实施例的燃料喷射器40。燃料喷射器40包括一个具有第一本体件43和第二本体件45的喷射器本体42。致动器组件46安装在喷射器本体42上并且连结在第一本体件43和第二本体件45之间。在一个实施例中，致动器组件46通过杆66可操控地与控制阀装置68连结。控制阀装置68可被配置用于控制作用于燃料喷射器40的出口阀杆70的控制表面74上的流体压力。相对高压力下的燃料可通过与出口阀杆70流体连接的燃料进口72供给燃料喷射器40。在一个实施例中，燃料进口72与包括燃料喷射器40燃料系统(没有显示)的高压共轨连接。出口阀杆70可在第一位置和第二位置移动以选择性地连接一套喷嘴出口76和进口72以控制燃料喷射器40的燃料喷射进入内燃机的汽缸，例如直喷压燃柴油机。从以下的描述中可清楚地显示，致动器组件46可包括确保把由于温度变化的运行中的变化性降低到最小的独特装置。抑制运行中的变化性反过来降低控制阀装置44运行中的变化性，并且使得燃料喷射器40的可靠运行能横跨相对宽的温度范围。 
致动器组件46可包括具有壳套12和放置在壳套12中的压电元件14的压电致动器10。压电致动器10可进一步包括向压电元件14施加预加载荷的预加载荷装置16。在一个具体实施例中，压电元件14可包括通过预加载荷装置16压缩保持的压电晶片堆20。压电致 动器10可进一步包括与压电元件14连结的并典型地与之接触来维持和控制压电元件14上的预加载荷的预加载荷控制元件18，这里将进一步描述。 
在一个具体实施例中，预加载荷装置16可包括放置在壳套12中的多功能弹簧装置22，并由与壳套12分离的部件组成。弹簧装置22可包括第一部分24，第一部分24具有其上带有接触单元28的活塞26，接触单元28为了控制控制阀装置44而被配置用来接触杆66。弹簧装置22可被流体密封在壳套12中。弹簧装置22可进一步包括第二部分30，该第二部分30可包括弹簧36、例如至少部分压电元件14放置其中的螺旋弹簧，和第三部分32。弹簧36和弹簧装置22的其他的部件可被流体密封在壳套12中。在一个实施例中，第三部分32可包括与锁紧元件35啮合的一组螺纹34，该螺纹通过扩展或收缩弹簧36来设置或调节施加到压电元件14上的预加载荷。在一个具体实施例中锁紧元件35可包括螺母。与多功能弹簧装置22类似的一个多功能弹簧装置的特征和工作原理的更为完整的解释和讨论可以在共同拥有和同时待审的美国专利申请号No.11/998,642中得到。 
压电致动器10可进一步包括间隔62，例如，部分由邻接压电元件14的弹簧36形成。热补偿材料60，例如导热硅胶或者近似材料可被布置在间隔62中并与压电元件14热接触。弹性隔膜23放置在活塞26和壳套12之间并与其连接，并且被设置以已知的方式在压电元件14活化和非活化时伸缩。压电致动器组件46可进一步包括盖64，为了通过常规的方式与发动机的电系统(未显示)连接而穿过盖64的第一电连接器或电接头52和第二电连接器或电接头54。在一个具体实施例中，预加载荷控制元件18可包括放置在压电元件14的一端的第一预加载荷控制晶片18a和放置在压电元件14相反一端的另一个预加载荷控制晶片18b。压电元件14可因此夹在预加载荷控制晶片18a和18b之间。锁紧元件35可邻接预加载荷控制晶片 18a，并且活塞26可邻接预加载荷控制晶片18b。锁紧元件35的转动可增加或减小通过扩展或收缩弹簧36形成在压电元件14上的压缩力。在一个具体实施例中，可使用单个的预加载荷控制晶片，多于两个的预加载荷控制晶片也可被采用，或者预加载荷晶片以不同于显示的配置方式放置在致动器组件46中，例如以彼此邻接的方式。在实际执行策略中，预加载荷控制晶片18a和18b与压电元件14串联，并且和压电元件14以及燃料喷射器40可有公共中心轴线。图1中显示了燃料喷射器的纵向轴线Z，并包括公共中心轴线。在一个具体实施例中，预加载荷控制晶片18a可限定出第一孔48和第二孔50。电连接器52和54可分别穿过孔48和50，并且第一密封件56和第二密封件58，例如O型圈每一个可以在孔48和50与相应的电连接器52和54之间形成密封。 
如上所述，致动器组件46可被独特地适应于抑制由于温度变化而产生的压电致动器10的运行中的变化性。可以想到，压电致动器的某些部件随着温度的变化尺寸发生改变。本公开提供了根据对不同的材料在一定温度或者在一定温度范围内的表现的深入了解、通过选择致动器组件46的部件的一定材料和特性来补偿这种尺寸变化的方法。同时致动器的策略已知，如上所述的例如Augustine，认识到对应于温度变化部件的尺寸变化，并且建议了补偿尺寸变换的方法，这些已知的策略由于非线性和某些材料相对复杂的热性能而未能完全的解决。例如，传统的学者长期认为多数材料，包括压电材料，对应温度的升高而膨胀，但不总是这样。已经发现横跨至少一定温度范围，压电材料对应温度的升高而收缩。因此，某些压电材料可被说成是具有对应温度升高热收缩的特性，可包括轴向缩短。本公开基于这一认知，不论温度怎么变化仍然能够在压电元件14上维持预加载荷，在此将进一步描述。其他的实施方式可适应于根据目标预加载荷对应温度的变化改变压电元件上的预加载荷。换句话说，胜于维持不变的预加载荷，致动器组件46可被配置对应温度的 升高增加或减小压电元件14上的预加载荷，以便目标预加载荷在一定温度可以实现。 
压电元件14可有一个运行温度范围，例如，较高温度端大约150℃，较低的温度端大约-40℃。压电元件14可进一步包括在大约90℃到120℃之间的第二温度范围时具有负热膨胀系数的热收缩材料，第二温度范围并因此与运行温度范围叠加。换句话说，压电元件14可包括当温度升高到包括运行的温度范围的一部分或者部分和运行的温度范围叠加的一定温度范围时收缩的材料，例如压电水晶材料。如上所述，压电元件14的热性能可能相对复杂，它的热膨胀系数在一定温度范围是正的而在其他温度范围是负值。第二温度范围描述了最佳设计的温度范围，但是可以在不同的致动器或不同的致动器应用中变化。 
在制造一定的压电材料期间，例如那些应用在压电元件14中的材料，相对较高的电压可施加到压电材料上使压电晶体在期望的方向上定向以能够进行适当的运行。这种方法是现有技术被称为“极化”。至少在一定压电材料的情况下，温度升高可能干扰制造过程长成的晶体的极化。已经发现在压电元件比如压电元件14中干扰压电晶体的极化可实际导致压电元件收缩。本公开认识到在第二温度范围的压电晶体的极化干扰，可举例为在运行温度范围较高的一半内，可导致压电元件14轴向缩短。 
本公开一方面是热膨胀材料例如铝和铝合金在第二温度范围为补偿压电元件14的轴向缩短在预加载荷控制晶片18a和18b中的使用。特别是，预加载荷控制元件18可包括在第二温度范围有正热膨胀系数的热膨胀材料。这个特征允许预加载荷控制晶片18a和18b相应于温度的升高与预加载荷元件14的轴向缩短相反地轴向伸长。在一具体实施例中，预加载荷控制元件18的尺寸、成分和热膨胀系数中的一个或多个可根据至少热收缩特性例如压电元件14的轴向缩短进行选择。在运行期间，随着压电致动器10温度的升高，预加载 荷元件18可与压电元件14的缩短相反地膨胀或伸长来维持或控制压电元件14上期望的净预加载荷。 
工业实用性 
现在参照图2a和2b，分别显示了在第一温度和较高的第二温度压电致动器10的概念示意图。图2a和2b中显示的温度可以是第一温度，图2a，第二温度范围的较低端，和第二温度，图2b，第二温度范围的较高端。在图2a中，壳套12具有长度尺寸A1，第一预加载荷控制晶片18a显示具有长度尺寸B 1和压电元件14显示具有长度尺寸C1。第二预加载荷控制晶片18b具有长度尺寸D1而弹簧装置22有长度尺寸E1。合计，各自的长度尺寸组成了压电致动器10的长度L。 
在图2b中，显示相对于图2a相对较高的温度，几个长度尺寸不同。在图2b中壳套12具有大约和图2a中显示的长度尺寸A1一样的第二长度尺寸A2。在一实施例中，壳套12可由相对接近或者等于0的热膨胀系数的材料制造，例如通常能以商标 获得的材料。在一个具体的实施例中，壳套12的正热膨胀系数在如上描述的第二温度范围可以大约是0.12X 10-5meters/meter-Kelvin(米/米-开)。也在图2b显示的是相对较大的弹簧装置22的长度尺寸E2。在一实施例中，弹簧装置22可由在第二温度范围具有大约1.2X10-5meters/meter-Kelvin(米/米-开)的正热膨胀系数的钢材料形成。每一个预加载荷控制晶片18a和18b可包括如上描述的铝，并与壳套12平行布置。在一实施例中，每一个预加载荷控制晶片18a和18b分别具有相对较大的长度B2和D2，如图2b所示。制造壳套12的材料的热膨胀系数的绝对值可小于组成预加载荷控制元件18的材料的热膨胀系数的绝对值，并且也可以小于构成压电元件14的材料的热膨胀系数的绝对值。形成预加载荷控制晶片18a和18b的铝或者其他材料在第二温度范围可以有大约2.5X 10-5meters/meter-Kelvin (米/米-开)的正热膨胀系数。压电元件14在较高的温度可以具有相对较短的长度C2，如图2b所示。在一具体实施例中，压电元件14可由在第二温度范围负热膨胀系数大约是-0.3X 10-5meters/meter-Kelvin(米/米-开)的陶瓷材料构成。 
在图2a和2b的图示中，各种部件的尺寸变化有些夸大。应当注意，然而，在任何一种情况下，致动器10的总长度在图2a和2b描述的温度条件下保持大体相同。可以想到，横跨第二温度范围保持致动器10的长度相对不变，并且在许多情况下横跨整个运行范围，将提供一定的好处。返回图1，典型地在杆66和活塞26之间有相对小的空气间隙。通常情况下期望在温度变化期间使空气间隙的尺寸变化减到最小。因此，横跨相对宽的温度范围维持致动器10的长度可以抑制致动器10的运行中的变化或变化性，否则由于活塞26和杆66之间的空气间隙尺寸的变化可能导致制动器10运行中的改变或变化性。通过实施本公开的教导，杆66和活塞26之间的净空气间隙变化大约9微米或更小。此外，不管温度如何，压电元件14上的预加载荷基本上相，也降低或消除了在不同温度下致动器10运行中的变化性。 
许多上述描述强调了适应预加载荷控制元件18的热膨胀特性来补偿压电元件14的热收缩特性。应当理解，然而，在制造致动器10和致动器组件46的其他元件时，多重因素影响具有适当热膨胀或收缩特性的合适材料的选择。例如，如上所述，弹簧36可有一个与温度增加负相关的弹性常数。换句话说，通过弹簧36给压电元件14预加载荷的相对压缩力可随着弹簧36温度的升高而减小。弹簧36弹性常数的变化可与图2a、2b中描述的尺寸变化同时发生。据此，在选择预加载荷控制元件18的尺寸、成分和/或热膨胀系数时，通过弹簧36产生的预加载荷的相对变化也可以被考虑。预加载荷控制元件18的尺寸、成分和/或热膨胀系数可因此基于弹簧36的弹性常数和压电元件14的热收缩特性。对于给定的温度升高，弹簧35经受 相对大的弹性常数的减小，可能需要为预加载荷控制元件18选择具有相对较大热膨胀系数的材料，至少对应于给定温度升高的温度范围。反之也正确，并且对于给定的温度升高弹簧36的弹性常数相对较小地受到影响而变化，对于给定的温度升高预加载荷控制元件18热膨胀系数可被选择相对较小。 
本公开的说明书也讨论维持压电元件14上的预加载荷和维持致动器10的长度L。一个实际的实施策略将因此用于设计制造致动器10以便其尺寸和预加载荷在不管温度如何的情况下保持相对不变。在其他例子中，然而，压电元件14上的预加载荷和甚至致动器10的尺寸可能对应于温度升高而变化。在一个实施例中，压电元件14上的预加载荷初始可设置成比目标预加载荷低，并且致动器10的材料和部件设计和构造成使得压电元件14上的预加载荷随温度升高朝向目标预加载荷增加。因而，本公开应当被理解成包括被控制的压电元件上的预加载荷在一定的温度在期望的预加载荷的多种不同的系统。不管是否预加载荷保持在不变的预加载荷可能就是一种情况，相应于温度的升高而增加或者相应于温度的降低而增加。 
本公开的说明书仅仅是事例性的，并不应该理解成以任何方式对本公开范围的缩小。因此，本领域技术人员应当理解在不背离本公开的全部和合理范围以及精神的情况下可对本公开的实施方式进行各种变形。其他方面和特征通过附图和权利要求的研究将明显。 
附图标记表： 
10.压电致动器 
12.壳套 
14.压电元件 
16.预加载荷装置 
18a.预加载荷控制晶片 
18b.预加载荷控制晶片 
20.压电晶片 
22.多功能弹簧装置 
23.隔膜 
24.第一部分 
26.活塞 
28.接触单元 
30.第二部分 
32.第三部分 
34.螺纹 
36.弹簧 
40.燃料喷射器 
42.喷射器本体 
44.控制阀装置 
46.致动器组件 
48.孔 
50.孔 
52.电连接器 
54.电连接器 
56.密封件 
58.密封件 
60.热补偿材料 
62.间隔 
64.盖 
66.杆 
68.控制阀 
70.出口阀杆 
72.流体进口 
74.控制表面 
76.喷嘴出口 

Claims (5)

1.一种压电致动器，包括：
壳套；
放置在所述壳套中并有运行温度范围的压电元件，所述压电元件包括在与所述运行温度范围叠加的第二温度范围有负热膨胀系数的热收缩材料；
对所述压电元件施加预加载荷力的预加载荷装置；
与所述压电元件连结并包括在第二温度范围有正热膨胀系数的热膨胀材料的预加载荷控制元件；和
流体地密封所述壳套中的压电元件的至少一个密封元件。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，其中：
所述预加载荷控制元件的尺寸、成分和热膨胀系数中的至少一个部分地基于所述压电元件的热收缩特性；和
所述预加载荷控制元件，所述压电元件和所述预加载荷装置串联设置并有共同中心轴线，其中所述热收缩特性构成所述压电元件的轴向缩短，并且其中所述预加载荷控制元件被配置成响应于温度升高而与所述压电元件的轴向缩短相反地进行轴向伸长。
3.一种压电致动器，包括：
壳套；
放置在所述壳套中并有运行温度范围的压电元件，所述压电元件包括在与所述运行温度范围叠加的第二温度范围有负热膨胀系数的热收缩材料；
对所述压电元件施加预加载荷力的预加载荷装置；
与所述压电元件连结并包括在第二温度范围有正热膨胀系数的热膨胀材料的预加载荷控制元件；
其中，所述预加载荷控制元件的尺寸、成分和热膨胀系数中的至少一个部分地基于所述压电元件的热收缩特性；
其中，所述预加载荷控制元件，所述压电元件和所述预加载荷装置串联设置并有共同中心轴线，其中所述热收缩特性构成所述压电元件的轴向缩短，并且其中所述预加载荷控制元件被配置成响应于温度升高而与所述压电元件的轴向缩短相反地进行轴向伸长；并且
其中，所述预加载荷装置包括流体密封在所述壳套中的弹簧，并且其中所述压电元件包括至少部分地放置在所述弹簧中的压电晶片堆。
4.根据权利要求3所述的压电致动器，进一步包括放置在所述壳套中的多功能弹簧装置，所述多功能弹簧装置具有：包括其上带有接触单元的活塞的第一部分；包括所述弹簧的第二部分；和包括用来设置和调节所述预加载荷力的螺纹的第三部分。
5.根据权利要求3所述的压电致动器，其特征在于，其中所述预加载荷控制元件包括多个预加载荷控制晶片并且其中所述的压电晶片堆夹在所述多个预加载荷控制晶片之间。
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