CN105556108B - 用于直接燃料喷射的压电喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于直接燃料喷射的压电式喷射器（1），其包括：喷射器主体（40）；致动器单元，其包括压电致动器（10），所述压电致动器（10）具有顶板（11）并且具有底板（12），其中，所述压电致动器（10）被波纹管（13）环绕，所述波纹管（13）被夹在所述顶板（11）和所述底板（12）之间，从而使得所述压电致动器（10）具有预应力；液力联接器，其包括联接器活塞（21）、联接器缸（20）和联接器弹簧（22）；以及喷嘴单元，其包括喷嘴针（31），所述喷嘴针（31）布置在喷嘴主体（30）中，其中，通过所述联接器弹簧（22），使所述联接器活塞（21）压靠所述喷嘴针（31）的面朝所述联接器活塞（21）的端面。

Description

用于直接燃料喷射的压电喷射器

技术领域

本发明涉及一种用于直接燃料喷射的压电式喷射器。

背景技术

如今，为了在内燃机中进行直接燃料喷射，经常会使用具有压电驱动器或电磁阀驱动器的喷射器。电磁阀喷射器主要形成为多孔喷射器，带有向内打开的喷嘴针，而压电喷射器通常具有锥形射流和向外打开的喷嘴针。

压电喷射器的构造一般非常复杂，因为在从例如5巴到200巴的压力范围内要求有稳定的喷射功能。为了能实现这种结果，例如必需所谓的压力平衡式喷嘴针。这样会导致成本增加。具有向外打开的喷嘴针的压电喷射器的一个主要优点在于混合物的制备品质。这样使得即使在相当低的喷射压力的情况下（诸如例如100巴），也可以在整个使用寿命中用稳定的方式满足可容许粒子计数方面的法律要求。

与压电喷射器相比，电磁阀喷射器的构造更简单并且成本更低。具体来说，不需要空转行程补偿。此外，电磁阀喷射器没有压力平衡式喷嘴针。由于向内打开的移动方向，在可以实现例如1.4 mm的非常小的针座直径的情况下，这可能不像在具有向外打开的喷嘴针的喷射器的情况下那样不利，向外打开的喷嘴针典型地具有大概3.6 mm到4 mm的底座直径。然而，在例如350巴到500巴的高喷射压力的情况下，甚至在电磁阀喷射器的情况下，会遇到越来越多的困难。具有多孔喷嘴的电磁阀喷射器的情况下，一个特定的难题是在整个使用寿命中满足粒子计数方面的法律要求。各种测试结果显示，在整个使用寿命中，从200巴到350到500巴的压力增加会以稳定的方式明显减小粒子计数。然而，另一方面，喷射系统的成本因此也会大幅增加。

发明内容

本发明的目的是指定一种用于直接燃料喷射的改进的喷射器，所述喷射器的特点是高度稳固性，并且生产起来相对简单并且成本不高。

根据独立权利要求，借助于用于直接燃料喷射的压电式喷射器可以实现所述目的。从属权利要求涉及本发明的有利实施例和改进例。

在至少一个实施例中，压电式喷射器包括喷射器主体。所述喷射器主体至少局部地形成压电式喷射器的壳体，并且可以采用尤其由钢构成的中空圆柱体的形式。

此外，压电式喷射器包括致动器单元，致动器单元具有压电致动器。压电致动器可以尤其具有压电堆。压电致动器具有顶板和底板。压电致动器被波纹管环绕，波纹管架在顶板和底板之间，以便向压电致动器施加预载。优选地将压电致动器的顶板和底板焊接到波纹管的相反端部。

波纹管有利地包封压电致动器。具体来说，压电致动器布置在波纹管内部，其中，波纹管的一端固定地焊接到顶板，另一端固定地焊接到底板。以此方式，尤其有利地实现了用封闭密封方式将压电致动器相对于燃料密封起来。

此外，在一个实施例中，压电式喷射器包括液力联接器，液力联接器具有联接器活塞、联接器缸和联接器弹簧。

此外，在一个实施例中，压电式喷射器包括喷嘴单元，喷嘴单元具有喷嘴针，喷嘴针布置在喷嘴主体中。有利的情况是，借助于联接器弹簧，将联接器活塞抵靠喷嘴针的面朝联接器活塞的侧面。以此方式，能确保经由液力联接器将力从压电致动器无间隙地传输到喷嘴针。

致动器单元的波纹管优选地由所谓的马氏体时效钢形成。“马氏体时效”这种表达是“马氏体”和“时效”这两个词的组合，总体上用于经过能通过马氏体处理硬化的钢。波纹管可以例如由马氏体时效钢构成的中空圆柱形部分产生。这里，中空圆柱形部分被加热成预定义的第一温度，马氏体时效钢在预定义的第一温度下处在奥氏体状态。在有利的改进例中，第一温度在700℃和950℃之间的范围内。在所述温度范围内，可塑性变形性能有利地非常高，例如大于30%。随后使波纹管冷却，从而使得马氏体时效钢处在马氏体状态。由于波纹管的冷却，使得马氏体时效钢处在马氏体状态，具体尤其是主要处在马氏体状态，所以能有利地实现非常高的强度。

在一个有利的实施例中，在变形过程之后，波纹管最初冷却到满足预定义的条件为止。例如当大概达到预定义的第二温度时，可以满足预定义的条件，第二温度可以例如大概对应于室温。随后，将波纹管再次加热，并且在预定义持续时间中在预定义温度范围内老化。持续时间可以例如处在从两个小时到四个小时的范围内。预定义的老化温度范围尤其有利地在400℃和500℃之间，尤其在450℃和480℃之间。在起初冷却到第二温度之后，马氏体时效钢的晶格结构主要转变成马氏体状态，第二温度大概对应于室温。由于时效作用，也称为时效硬化，完成马氏体形态，并且可以实现尤其高的强度，该强度可以例如具有≥2000MPa的值。

在一个实施例中，致动器单元的顶板包括燃料供应管线，通过该供应管线，将燃料在高压下供应到压电式喷射器。此外，顶板有利地包括从电插头连接件到压电致动器的电连接馈送。

在一个有利的实施例中，在压电致动器的底板中形成液力联接器单元的联接器缸。以此方式，压电致动器有利地直接连接到液力联接器。联接器活塞插入到联接器缸中并且留有合适的配合间隙，该联接器活塞有利地采用空镗形式，以便减小移动质量。为了实现联接器的合适的动态传输特性，配合间隙优选地在2 µm和6 µm之间。

有利的情况是，压电式喷射器不包括塑料构成的任何密封材料。常规上，在常规的压电喷射器中使用塑料类密封件将压电致动器密封起来，塑料类密封件尤其是由弹性体构成的。有利的一点是，这样的塑料类密封件在这里描述的压电式喷射器中不是必要的，因为压电致动器借助波纹管和固定地连接至波纹管的顶板和底板，完全通过金属零件密封起来。因此，压电致动器以尤其稳固的方式相对于大幅加压后的燃料被密封起来。

在一个有利的实施例中，喷射器主体是不能分割的一个管段，该管段在一侧处固定地连接（尤其是焊接）至顶板，在相反侧处固定地连接（尤其是焊接）至喷嘴主体。

在一个实施例中，喷嘴单元的喷嘴针设计成向外打开的喷嘴针。喷嘴针的针座优选地采用锥壳表面的形式，该锥壳表面在喷嘴主体中抵靠中空的锥体表面，因而实现密封功能。

为了产生作用于喷嘴针的关闭力，喷嘴单元优选地具有喷嘴弹簧。优选的情况是，喷嘴弹簧在一侧处紧固到喷嘴主体，在另一侧处压靠弹簧板，弹簧板附接至喷嘴针，尤其是被按压到喷嘴针上。以此方式，喷嘴弹簧产生的密封力被传输到喷嘴针。

在一个有利的实施例中，燃料膜，尤其是非常薄的燃料膜，布置在液力联接器中。燃料膜有利地位于联接器活塞的侧面与致动器单元底板的面朝联接器活塞的侧面之间，联接器缸有利地形成在致动器单元的底板中。所述薄燃料层的厚度有利地选择成尽可能小，从而使得液力联接器的刚度尽可能大。层的最小厚度取决于必需的组件公差，以及温度变化时压电致动器和喷射器主体之间的长度变化差异，长度变化差异的原因是压电致动器和喷射器主体材料（尤其是钢）之间的不同的热膨胀系数。薄燃料层的层厚度有利地处在从0.05 mm到0.3 mm的范围内。

在一个优选实施例中，喷射器主体由不能分割的形式的管段构成，并且管段的顶面焊接到压电致动器的顶板，而底面焊接到喷嘴主体。在喷射器主体组装过程期间，可以设置液力联接器中的燃料层的层厚度。

本文中描述的压电式喷射器的特征尤其是如下事实：温度效应、触点磨损和/或压电致动器极化状态的变化导致的长度变化可以得到补偿。压电致动器有利地没有空转行程，从而减少了致动能量，并且无需再在消除压电式喷射器组装过程中针对空转行程执行麻烦的调整处理。

压电式喷射器的特征还在于组装过程非常简单，借此可以减少制造成本。有利的是，在所描述的压电式喷射器的情况下，动态发动机操作期间的喷射量非常稳定。通过使用完全金属的密封件，可以使喷射器中的压力损失最小化，并且以尤其可靠的方式将压电致动器相对于燃料密封起来。

附图说明

通过下面基于图1至图3对示例性实施例的说明，将得知压电式喷射器的更多的有利的实施例和优点。

图中：

图1是根据示例性实施例的压电式喷射器的横截面的示意性图解说明，

图2示出了所述示例性实施例中的波纹管的外部视图，以及

图3是图2中图解说明的波纹管的子区域的放大图解说明。

具体实施方式

图解说明的部件和部件相对于彼此的比例不应被视为是真实比例。

图1中以横截面示意性图解说明的压电式喷射器1包括压电致动器10，压电致动器10可以尤其具有压电堆。压电致动器10有利地布置在波纹管13内，波纹管13焊接到压电致动器10的顶板11和底板12。以此方式，通过完全金属的密封件将压电致动器10相对于燃料密封起来。具体来说，不使用塑料构成的密封件，诸如例如弹性体构成的隔膜。以此方式，能实现压电致动器10的尤其稳固并且可靠的密封。

波纹管13有利地由马氏体时效钢生产。马氏体时效钢有利地具有高强度的形式，并且具有高强度和良好的延展性。马氏体时效钢主要包括不含碳的合金，并且与高比例的镍（例如大于12%）形成合金。马氏体时效钢还可以包括其它合金元素，例如铝、钼、铜、铌、钴和/或钛。

图2中在外部视图中图解说明波纹管13，并且在图3中在放大细节图中图解说明波纹管13。波纹管13的波纹的成形选择成能获得期望的弹簧常数，而不会超过可容许的应力，以便在整个使用寿命中实现预定义的强度。波纹管13的可用的设计参数尤其是壁厚度、周期PER和波纹幅度AMP。例如，波纹管13的外径为9.2 mm、壁厚度为0.2 mm、波纹幅度AMP为0.4 mm并且波纹周期PER为2 mm时，在波纹管13长度为63 mm的情况下，得到的弹簧常数是1.8 N/mm，并且可能的预载力是800 N。

为了获得预定义的预载，例如大概800 N，将波纹管13固定在顶板11和底板12之间，从而使得压电致动器10以预定义的预载架在顶板11和底板12之间。顶板11和底板12的固定例如可以通过焊接，尤其是激光焊接实现。波纹管13尤其连接至顶板11并且连接至底板12，从而使得压电致动器10相对于环境以封闭密封的形式被密封起来。

顶板11有利地包括从电插头连接件43到压电致动器10的电连接馈送。此外，顶板11有利地包括燃料供应源44，用于供应大幅加压后的燃料。

通过液力联接器实现从压电致动器10到喷嘴针31的力的传输，液力联接器包括联接器缸20、联接器活塞21和联接器弹簧22。联接器弹簧20有利地形成在压电致动器10的底板12中。底板12和联接器缸20因此可以由单片金属形成。联接器活塞21插入到联接器缸20中，并且留有合适的配合间隙，其中，配合间隙优选地选择为在从2 µm到6 µm的范围内，以便实现液力联接器的合适的动态传输特性。

联接器活塞21可以尤其是空镗形式的，以便减小移动质量。联接器活塞21借助于联接器弹簧22顶在喷嘴针31的侧面上。以此方式，能确保驱动器中没有间隙。在图1的示例性实施例中，联接器弹簧22布置在联接器缸20和喷射器主体40之间，喷射器主体40形成压电式喷射器1的外壳。替代地，联接器弹簧22也可能布置在联接器活塞21的内部，尤其在联接器活塞21和喷嘴针31的面朝联接器活塞21的壳体表面之间的中间空间中。

优选地薄的燃料层（未图解说明）有利地位于液力联接器中，在联接器活塞21的面朝底板12的侧面与底板12之间，其同时形成为联接器缸20。所述薄燃料层的厚度选择成尽可能小，以便实现联接器的尽可能大的刚度。所述薄燃料层的最小厚度取决于必需的组装公差和温度变化情况下压电致动器10和喷射器主体40之间的长度膨胀差异，长度膨胀差异是因为它们的热膨胀系数不同。燃料层的层厚度有利地处在从0.05 mm到0.3 mm的范围内。

压电式喷射器1的喷嘴针31是向外打开的喷嘴针，其在喷嘴主体30中得到导引。喷嘴针31的针座可以例如采用锥壳表面的形式，锥壳表面在喷嘴主体30中被迫抵靠中空的锥体表面，以便实现密封功能。作用于喷嘴针31的密封力是由喷嘴弹簧32产生，喷嘴弹簧32架在喷嘴主体30和弹簧板33之间，弹簧板33连接至喷嘴针31。弹簧板33可以尤其被按压到喷嘴针31上。

喷嘴弹簧32的弹簧力有利地设置成使得，在存在最大可容许喷射压力（轨道压力）时，喷嘴弹簧力减去液力作用针打开力再减去液力联接器的接触力构成的合力，仍然能确保有足够的针座力。液力作用针打开力可以从针座的横截面面积和喷射压力计算出来，而液力联接器的接触力对应于联接器弹簧22的弹簧力。在存在最大可容许喷射压力时，所得的针座力有利地设置在从20 N到50 N的范围内。

压电式喷射器1的喷射器主体40局部地形成压电式喷射器1的外壳，并且可以尤其由钢制成。喷射器主体40优选地形成一片，尤其是由一个管段形成。喷射器主体40尤其可以在一侧处通过焊缝41焊接到压电致动器10的顶板11，并且在相反侧处通过焊缝42焊接到喷嘴主体30。在喷射器主体40组装过程期间，可以设置联接器活塞21中的薄燃料层的层厚度。

用这种方式构造的压电式喷射器1的特征尤其在于它相对容易生产而且非常稳固。

本发明不受基于示例性实施例的说明的限制。相反，本发明涵盖每种新颖的特征和特征的每种组合，其尤其包含权利要求中的特征的每种组合，即使所述特征或所述组合本身未在权利要求或示例性实施例中明确提到。

Claims (8)

1.一种用于直接燃料喷射的压电式喷射器（1），其包括：

–喷射器主体（40），

–致动器单元，其设有压电致动器（10），所述压电致动器（10）具有顶板（11）并且具有底板（12），其中，所述压电致动器（10）被波纹管（13）环绕，所述波纹管（13）架在所述顶板（11）和所述底板（12）之间，从而使得所述压电致动器（10）上被施加预载，

–液力联接器，其设有联接器活塞（21）、联接器缸（20）和联接器弹簧（22），以及

–喷嘴单元，其设有喷嘴针（31），所述喷嘴针（31）布置在喷嘴主体（30）中，其中，通过所述联接器弹簧（22），迫使所述联接器活塞（21）抵靠所述喷嘴针（31）的面朝所述联接器活塞（21）的侧面，

其中，薄的燃料膜位于所述联接器缸（20）的底面与所述联接器活塞（21）的端面之间，并且

其中，所述联接器缸（20）形成在所述压电致动器（10）的所述底板（12）中。

2.根据权利要求1所述的压电式喷射器，

其中，所述波纹管（13）具有马氏体时效钢。

3.根据权利要求1或2所述的压电式喷射器，

其中，所述压电式喷射器（1）不包括由塑料构成的任何密封材料。

4.根据权利要求1或2所述的压电式喷射器，

其中，所述喷射器主体（40）是不能分割的管段，所述管段在一侧处固定地连接至所述顶板（11），在相反侧处固定地连接至所述喷嘴主体（30）。

5.根据权利要求1或2所述的压电式喷射器，

其中，所述喷嘴针（31）具有向外打开的设计。

6.根据权利要求1或2所述的压电式喷射器，

其中，所述喷嘴单元设有喷嘴弹簧（32），以便产生作用于所述喷嘴针（31）上的关闭力。

7.根据权利要求6所述的压电式喷射器，

其中，所述喷嘴弹簧（32）在一侧处紧固至所述喷嘴主体（30），且在另一侧处压靠弹簧板（33），所述弹簧板（33）附接至所述喷嘴针（31）。

8.根据权利要求1所述的压电式喷射器，

其中，所述薄的燃料膜的厚度在从0.05 mm到0.3 mm的范围内。