CN106795851B - 具有集成到伺服阀中的液压的间隙补偿件的压电共轨喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种喷射阀，喷射阀具有带有喷射喷嘴的喷射器体，该喷射喷嘴具有带有喷嘴体和喷嘴针的喷嘴模块，其中喷嘴模块布置在喷射器体的下部的、朝向所述燃烧室的侧部中，喷嘴针与喷嘴弹簧对应，在所述阀室中布置有阀体，在阀体和节流板之间保留缝隙，利用很小的游隙将阀针装配到阀体中，从而在阀针和阀体之间形成了密封缝隙，阀体具有孔部，该孔部将阀室与密封缝隙相连，阀针的下端部不完全与所述阀体相连，从而在阀针和阀体之间形成了耦合体积，它经过密封缝隙和孔部与阀室相连，如此小地设置密封缝隙：在耦合体积和阀室之间存在流体连接，在阀操纵的短的时间期间在耦合体积和阀室之间没有流体交换，从而不改变此耦合体积。

Description

具有集成到伺服阀中的液压的间隙补偿件的压电共轨喷射器

技术领域

本发明涉及具有伺服阀控制部的、用于把燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中的喷射阀。

背景技术

所述喷射阀典型地结合处于高压下的所谓的共轨系统来应用。在这里，通常使用压电元件作为执行器，其中，这样的共轨喷射阀的喷射量的控制部要么直接地被控制，但是主要间接地经过伺服阀被控制。这点意味着，所述喷嘴针不是直接与所述压电执行器的运动耦合，而是压电执行器就其本身而言操纵伺服阀。实现把燃料典型地在很高的压力下经过高压接头和在喷射阀体中的高压线路通过阀板提供到节流板上。控制室经过输入节气门与所述高压线路相连。此外，所述控制室经过输出节气门与阀室相连。从上部的或者下部的区域（该区域是这样的区域：其向着燃烧室指向），所述喷射喷嘴具有喷嘴体和喷嘴针，其中，所述喷嘴针如此利用喷嘴弹簧来预紧：使得此喷嘴弹簧施加闭合力。因为所述控制室经过所述高压接头与所述轨-系统相连，则在没有操纵的状态中，在所述控制室中支配着较大的压力，该压力对应于在所述轨-系统中的压力（轨-压力）。从中得到了额外的液压的力作用，该力作用将喷嘴针保持在闭合位置中并且由此所述喷射阀的口部被闭锁。

如果操纵了所述压电执行器，则该压电执行器操纵所述伺服阀。由此，燃料能够经过所述输出节气门离开所述控制室。由此，在控制室中的压力下降并且在低于特定的压力阈值之后打开所述喷嘴针。如果所述压电执行器接下来再次卸载，则所述伺服阀闭合，所述控制室会经过向着高压系统的连接部而再度填充，从而在所述控制室中的压力再次构建在轨-压力-水平上并且闭合所述喷嘴针。在此，在所述控制室中的压力降或压力建立的动态以及在针打开运动或针闭合运动期间的针速度基本上通过输入节气门和输出节气门的尺寸设置来确定。

为了保证具有压电执行器的共轨喷射器的稳定的运行，在压电执行器和伺服阀的阀体之间需要几乎无间隙的耦合部。为此，在整个传动链的范围中需要热学的长度改变的准确的稳定的温度补偿，以便将压电执行器的空行程的改变保持在紧凑的界限中。为此，所述压电执行器通常由殷钢套筒包围，该殷钢套筒示出了与所述压电执行器类似的热膨胀性质。

但是必要的是，存在所述伺服阀的较小定义的空行程，也即在伺服阀体和执行器的底板之间存在小的中间空间，因为必须阻碍的是，在压电执行器没有被操控时所述伺服阀处于敞开。反过来，过大地设定的空行程是不利的，因为由此以相同的尺度提高所需要的压电执行器行程，并且这点再者相应地提高对此必要的操控能量。总体上，这也提高了对系统的在较长的时间段上的准确性的稳定性的要求。

在马达中使用喷射阀提供了具有不同的热源和散热器的在热学上很复杂的边界条件。在压电执行器的区域中，由于电损耗而进行的自加热起到关键的作用。在所述伺服阀的区域中，由于燃料从轨-压力卸压到周边环境压力上而进行的温度升高表现为重要的热源。通过将喷射器安装在马达的缸头中，经过不同的接触位置、例如燃烧室密封部以及喷嘴尖部与燃气的接触部，得到了相应的热流。对所述空行程的同样有待考虑的影响参量表现为在所述缸头中的抓力（Verpratzungskraft）。这也受到大的公差的影响。

在稳定的喷射器运行中，得到的热膨胀能够通过合适的材料选择和几何特征在很大程度上补偿。在动态的马达运行中，由于在构件中的不稳定的、不均匀的温度分布而得到对压电执行器的空行程的额外的影响参量。此外，在喷射器运行中的空行程通过由于极化改变和磨损而进行的压电执行器的长度改变而改变。

以热学为条件的长度改变能够经过合适地使用不同的材料而在很大程度上进行补偿。一个示例是已经所提到的使用由殷钢形成的执行器壳体，因为殷钢拥有与压电陶瓷基本上相同的热膨胀特性。但是最后，这点仅表现为基础补偿。没有检测到由于磨损或极化状态的改变而进行的空行程改变。

为了解决此问题，存在压电-共轨-喷嘴，其使用液压的耦合器，包括带有在执行器侧上的驱动活塞和在阀侧上的从动活塞的缸体。对于此装置不利的是，此液压的耦合器位于低压区域中。但是，为了功能有效地保持这样的耦合器，保证特定的压力水平，在大多情况下大约10 bar。在现有技术中，利用压力保持阀来实现这点。

越来越多地使用低沸点的燃料组分，例如通过把乙醇添加至燃料，但是在低压区域中危害相应的液压的耦合元件的功能有效性并且由此表现为对于这样的方案的显著的功能风险。

此外，从EP 1 389 274中已知具有液压的耦合器的直接经操纵的喷射阀。但是，这点具有的缺点是，把执行器不足够地从所述喷嘴针解耦，这同样阻碍了磨损的补偿。

发明内容

因此本发明的任务在于，避免按照现有技术的喷射阀的上文所提到的问题并且提供具有伺服阀控制部的喷射阀，该喷射阀一方面将所述执行器足够地从所述喷嘴针解耦，但是另一方面补偿了通过构件的温度波动和磨损所出现的在所述喷射阀的运行期间的长度改变。

此任务通过一种具有伺服阀控制部的用于把燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中的喷射阀来解决。所述喷射阀具有带有喷射喷嘴的喷射器体，该喷射喷嘴具有带有喷嘴体和喷嘴针的喷嘴模块，其中，所述喷嘴模块布置在所述喷射器体的下部的朝向所述燃烧室的侧部中，并且所述喷嘴针与所述喷嘴弹簧对应，所述喷嘴弹簧这样布置：使得该喷嘴弹簧将闭合力施加到所述喷嘴针上，其中，所述喷射阀还具有高压线路，该高压线路在一个位置处具有连接至所述高压-燃料系统的接头，并且该高压线路在一个另外的位置处经过输入节气门与控制室相连，其中，所述控制室经过输出节气门与阀室相连，其中，在所述阀室中布置有阀体，其中，该阀体与阀簧如此地配合作用，即，使得所述阀簧将所述阀体这样从节流板压出：使得在阀体和节流板之间保留缝隙，其中，所述阀体继续与阀针处于连接中，该阀针又与执行器相连，该执行器由执行器弹簧预紧。根据本发明，利用很小的游隙将所述阀针装配到所述阀体中，从而在阀针和阀体之间形成密封缝隙，并且所述阀体具有孔部，该孔部将所述阀室与所述密封缝隙相连，并且其中另外地，所述阀针的下端部不完全与所述阀体相连，从而在阀针和阀体之间形成了耦合体积，该耦合体积经过密封缝隙和孔部与所述阀室相连，并且其中，如此小地设置所述密封缝隙：使得一方面在耦合体积和阀室之间存在流体连接，另一方面在阀操纵的短的时间期间在耦合体积和阀室之间没有能够实际上出现流体交换，从而在此时间实际上不改变所述耦合体积。

本发明还涉及其它优选的实施方式。

如上所述，本发明提供了具有伺服阀控制部的喷射阀，以用于把燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中，其中，所述喷射阀具有带有喷射喷嘴的喷射器体，该喷射喷嘴再者包含具有喷嘴体和喷嘴针的喷嘴模块，其中，所述喷嘴模块布置在所述喷射器体的下部的、朝向所述燃烧室的侧部中。所述喷嘴针与喷嘴弹簧这样相对应：使得它将闭合力施加到所述喷嘴针上。此外，喷射阀联接至高压线路处，经过该高压线路使得它与所述高压燃料系统（共轨）相连。在一个其它的位置处，所述高压线路经过输入节气门与控制室相连，其中，所述控制室经过输出节气门再者与所述阀室相连。此外，有利地还存在喷嘴隔板，该喷嘴隔板能够液压地支持所述喷嘴针的闭合。

在阀室本身中布置有阀体，该阀体与阀簧如此地配合作用，即，使得所述阀簧将所述阀体这样从所述节流板压出：使得在静止状态中在阀体和节流板之间保留缝隙。所述阀体本身继续与阀针处于连接中，该阀针再者与执行器相连，优选与压电执行器相连。在压电执行器的情况中，此压电执行器通常通过弹簧、执行器弹簧来预紧，由此所述压电执行器的压电陶瓷的层堆叠的以分层的方式的结构持久地机械稳定。

优选地，所述压电陶瓷的层堆叠不应与在大多情况下化学侵蚀的燃料、例如柴油来到直接接触中。因此优选地，设置了直向着所述压电堆的流体密封部，例如以在压电堆和喷射器的导引流体的部件之间的密封膜为形式。或者所述弹簧本身密封地相对于燃料构造，例如构造为波形弹簧或者波纹管弹簧。

按照本发明，此时利用很小的游隙将所述阀针装配到所述阀体中，从而在阀针和阀体之间形成了密封缝隙。所述阀体本身具有孔部，该孔部将所述阀室与所述密封缝隙相连。在此，所述阀针的下端部不完全与所述阀体相连，从而在阀针和阀体之间形成了耦合体积，该耦合体积经过密封缝隙和孔部与所述阀室相连。因为所述阀室经过所述输出节气门与所述控制室相连，则所述阀室在根据本发明的喷射阀中处于高压（轨-压力）下。这点意味着，经过在阀针和阀体之间的密封缝隙和所述阀体中的孔部，利用燃料来填充所述耦合体积，其中，此燃料同样处于轨-压力下。在此，如此地设置密封缝隙：使得虽然一方面在耦合体积和阀室之间存在流体连接，另一方面在阀操纵的短的时间期间在耦合体积和阀室之间在实际上没有能够出现流体交换，从而在此时间在实际上不改变此耦合体积。由此，由在阀体中的孔部形成的系统与所述密封缝隙和所述耦合体积作为液压的耦合器起作用。

不同于按照现有技术，所述耦合器在所述阀的静止状态中处于高压下，从而燃料的经降低的沸点（例如通过混合低沸点的组分、例如生物乙醇）不具有负面的效果。时间（在该时间中操纵所述阀，也即在该时间中，所述执行器偏移并且所述伺服阀打开，其中，在所述阀室中的压力下降）如此地短：使得在此时间中，没有能够感觉到的液体（燃料）量从所述耦合体积中经过所述密封缝隙和在所述阀体中的孔部而能够到达所述阀室中，从而在所述液压的耦合器中本身维持有所述高压。但是在较长的时间上观察，经过在耦合体积和阀室之间的密封缝隙经过现有的流体连接部能够发生压力补偿，从而能够持久地补偿在所述阀系统中的长度改变。

作为有利方案证实了它，当执行器具有经堆叠的压电元件（压电堆）并且优选地以全活性的压电堆为形式构造时，该压电堆一般较不倾向于在压电堆序列的内部形成裂纹，因为不同于并非全活性的堆叠，并非仅其相应的压电的层的部分被电极材料遮覆，而是所述遮覆是全部面的并且在压电堆序列中的接触部交替地在所述堆叠侧的边缘侧进行。相应地在其它极有待接触的层在此接触侧上相应交替地在边缘侧绝缘。

所述高压-燃料线路优选经过喷嘴隔板与所述喷嘴体的内部相连，这用于所述喷射阀的更好的液压的控制。

此外合算的是，在阀针和阀体之间的密封缝隙计为大约1 μm。对于所述耦合体积，大约0.5 mm³的体积证实为有利。两个尺寸保障了所述喷射阀的尤其合适的工作方式。

所述喷射阀的喷嘴针优选地向内打开，尤其在柴油应用中，因为在那里，燃料的压力很高并且由此较高（hohce）的密封力作用在所述喷射阀的密封座处。在力流的一个其它的对于所述本领域技术人员而言熟悉的反转中，却同样能够利用本发明来实现向外敞开的阀，尤其在汽油喷射器中。所述执行器本身由包围所述执行器的波形弹簧预紧，以便稳定化所述压电执行器，并且同时密封，以便防护所述压电堆。

附图说明

在下文中参照附图说明了优选的实施方式。图示：

图1是根据本发明的喷射阀的下部的纵剖图；

图2是具体截取部分；并且

图3是在纵剖图中的阀室的具体图示。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的喷射阀的主要的部分，该喷射阀基本上位于喷射器体100内。在右侧区域中，示出了高压-燃料线路210，该高压-燃料线路在所述喷射阀的上部的区域中（在这里未示出）借助于高压接头联接至高压-燃料系统（共轨）。左侧在所述高压-燃料线路210的旁边示出了由波形弹簧450包围的执行器400，该执行器经过其执行器头板410与所述喷射器体100相连。所述执行器400优选地由压电堆形成。它当然也能够使用其它的材料，例如磁致伸缩的材料。经过所述执行器420的底板，将此与布置在阀板320中的阀体310相连并且直接作用到此阀体上。所述高压-燃料线路也导引通过所述阀板320并且在那里汇接到在所述输入节气门230和喷嘴隔板240的区域中的所述节流板290中。

原本的喷嘴模块110位于下部的朝向所述燃烧室的部分中，该喷嘴模块包括喷嘴体120、喷嘴针130和喷嘴弹簧140。

图2稍微更加详细地示出了围绕所述节流板的区域。从右上部，所述燃料经过所述高压-燃料线路210进入到所述系统中并且经过所述输入节气门230导引到控制室250中。与此并行地，燃料传送经过所述喷嘴隔板240进入到在所述控制室250处的所述喷嘴模块110的内部的区域中。

所述控制室250再者与输出节气门270相连，该输出节气门向着所述阀板320导引。在那里连接着阀室300，该阀室在图3中更加准确地示出。

在图3的下部的区域中再者存在节流板290，所述阀室300（在所述阀板320中形成了所述阀室）连接至该节流板。在所述阀室300中存在阀体320，该阀体在其下部的区域中由阀簧330包围，该阀簧把向上起作用的力施加到所述阀体310上，从而在阀体310和节流板290之间产生了缝隙340，并且所述阀体310的上部的区域利用所述阀板320密封并且从而向上密封了所述阀室300。

阀体310具有孔部370，该孔部汇接到中央的孔部中。利用很小的游隙使得所述阀针350导引到此孔部中，该阀针与在这里未示出的执行器处于连接中。在阀针350和阀体210的壁之间存在窄的密封缝隙360，经过该密封缝隙使得所述孔部370处于与小的中间空间、耦合体积380的流体连接中。由此，从现有技术中已知的、在压电执行器行程和伺服阀运动之间的受到空行程影响的机械的耦合部被具有集成到所述伺服阀体本身中的间隙补偿件的液压的耦合部取代。不同于在现有技术中已知的那样，在集成在所述伺服阀体中的间隙补偿件中支配有高压，也即轨-压力，从而开文提到的沸点问题不能够出现。

功能具体是下述：

压电执行器400（其优选构造为全活性的压电堆）如此地集成到所述喷射器体100中：使得该压电执行器向上直接支承在所述喷射器体100中。所述压电执行器400通过波形弹簧450向着在所述喷射阀中的导送燃料的区域密封，其中，所述波形弹簧450同时负责用于所述执行器400的预紧。不同于按照现有技术，由此并非整个执行器室而是仅所述执行器400本身的区域相对于燃料进行密封。这点是可行的，因为能够省去使用用于温度补偿的殷钢套筒。结果是：在执行器400的区域中的低压体积以至少一个数量级增大，因此以相似的程度减小了压力脉冲，在打开所述伺服阀时生成了该压力脉冲。

所述压电执行器400的行程经过所述阀针350（该阀针优选地由硬金属形成）传输到所述伺服阀体310上。在此，所述阀针350以很小的游隙在所述伺服阀体310中的孔部中运动。在实施例中，两个径向的孔部370处在所述伺服阀体310的大约半高度上，该孔部将所述阀室300与在阀针350和伺服阀体310之间的密封缝隙360相连。在所述伺服阀的经闭合的状态中，在所述阀室300支配着轨-压力，该轨-压力通过所述径向的孔部370传输到所述密封缝隙360中。此压力然后也传输到很小的耦合体积380中，该耦合体积位于所述阀针350的背离于所述压电执行器400的端侧处。此压力促成的是，所述针始终向外挤压，直到它靠置到所述执行器底板处。由此，保证了在压电执行器400和伺服阀之间的无间隙的接触。具有很小的动态的运动（例如热膨胀和磨损）能够通过改变耦合器室高度来补偿。但是对于高动态的运动（正如压电运动表现为此运动那样），密封缝隙几乎密封并且由此所述耦合器很刚硬。

如果操纵了压电执行器400，则所述阀体310向下挤压，从而所述阀向上打开。由此，燃料能够向上漏出，从而在所述阀室300中的压力大幅下降。由此，所述伺服阀仅必须克服阀簧力和小的液压力而保持打开。

通过在阀室300中的压力降，燃料经过所述输出节气门270从所述控制室250中流动到所述阀室300中。因为相比于通过输出节气门270流出，更少的燃料通过所述输入节气门230流入，则在所述控制室250中的压力下降。由此，减小了作用到所述喷嘴针130上的液压的闭合力。在低于特定的压力阈值之后，所述喷嘴针130打开并且开始喷射。

如果压电执行器400卸压，则所述伺服阀再次闭合，办法是：所述阀体310向着所述阀板320挤压并且密封。在所述阀室300中的压力再度升高，正如在所述控制室250中的压力那样，从而结果是：所述喷嘴针130再次向下挤压到其基座中。喷射阀是闭合的。

所说明的示例示出了向内敞开的喷射阀。当然，在相应的力反转时，本发明也包括使用向外敞开的阀。

为了使得耦合经过所述耦合体积380正确地起作用，必须如此小地选择所述密封缝隙360：使得即便在轨-压力较高的情况中也仅可能有足够小的燃料泄漏，并且同时在所述伺服阀体310中也不发生夹住所述阀针350。典型地，密封缝隙360小于一微米地选择，其中，具有0.5 mm³的耦合体积380足够得大，以便实现很刚硬的驱动。

结果是：利用根据本发明的喷射阀，使得所述压电执行器与所述伺服阀体的作为有问题的、从现有技术中已知的受到空行程影响的机械的耦合部，通过被集成到伺服阀中的间隙补偿件中的液压的耦合部进行取代。由此，改善了由于在驱动中的在接触位置处的温度效应、磨损而进行的长度改变的平衡，正如压电执行器本身的长度改变（例如由于极化状态的改变 ）的平衡那样。在所述执行器室中的压力脉冲的减少和由此对所述压电执行器的传感器信号的干扰效果的减小此外通过低压区域的变大来实现。在喷射阀的上部区域中的未示出的电接触的区域中能够减小振动，当压电头板刚硬地靠置在所述喷射器体中时。通过此耦合部（该耦合部也对于较轻易地沸腾的燃料正确地工作），省去了在喷射器装配时的对于空行程的繁琐的设定过程。同时，减小了制造成本。在运行中，减小了对于压电执行器的操控能量，因为省去了空行程。通过经提高的准确性，依赖于在缸头中的抓力（Verpratzungskraft）能够减小喷射量离差，以及改善了在动态的马达运行中的喷射量稳定性。

Claims (9)

1.一种具有伺服阀控制部的用于把燃料喷射到内燃发动机的燃烧室中的喷射阀，所述喷射阀具有带有喷射喷嘴的喷射器体（100），该喷射喷嘴具有带有喷嘴体（120）和喷嘴针（130）的喷嘴模块（110），其中，所述喷嘴模块（110）布置在所述喷射器体（100）的下部的朝向所述燃烧室的侧部中，并且所述喷嘴针（130）与所述喷嘴弹簧（140）对应，所述喷嘴弹簧这样布置：使得该喷嘴弹簧将闭合力施加到所述喷嘴针（130）上，其中，所述喷射阀还具有高压线路（210），该高压线路在一个位置处具有连接至所述高压-燃料系统的接头，并且该高压线路在一个另外的位置处经过输入节气门（230）与控制室（250）相连，其中，所述控制室（250）经过输出节气门（270）与阀室（300）相连，其中，在所述阀室（300）中布置有阀体（310），其中，该阀体（310）与阀簧（330）如此地配合作用，即，使得所述阀簧（330）将所述阀体（310）这样从节流板（290）压出：使得在阀体（310）和节流板（290）之间保留缝隙（340），其中，所述阀体（310）继续与阀针（350）处于连接中，该阀针又与执行器（400）相连，该执行器由执行器弹簧（450）预紧，其特征在于，利用很小的游隙将所述阀针（350）装配到所述阀体（310）中，从而在阀针（350）和阀体（310）之间形成密封缝隙（360），并且所述阀体（310）具有孔部（370），该孔部将所述阀室（300）与所述密封缝隙（360）相连，并且其中另外地，所述阀针（350）的下端部不完全与所述阀体（310）相连，从而在阀针（350）和阀体（310）之间形成了耦合体积（380），该耦合体积经过密封缝隙（360）和孔部（370）与所述阀室（300）相连，并且其中，如此小地设置所述密封缝隙（360）：使得一方面在耦合体积（380）和阀室（300）之间存在流体连接，另一方面在阀操纵的短的时间期间在耦合体积（380）和阀室（300）之间没有能够实际上出现流体交换，从而在此时间实际上不改变所述耦合体积（380）。

2.按照权利要求1所述的喷射阀，其特征在于，所述执行器弹簧（450）构造为波形弹簧（450）或者波纹管弹簧（450）。

3.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，所述执行器具有压电元件。

4.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，所述高压-燃料线路（210）经过喷嘴隔板（240）与所述喷嘴体的内部相连。

5.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，所述密封缝隙（360）大约计为1μm。

6.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，所述耦合体积（380）大约计为0.5 mm³。

7.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，所述喷嘴针向内敞开。

8.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，所述执行器（400）由波形弹簧（450）预紧并且同时被密封。

9.按权利要求3所述的喷射阀，其特征在于，所述压电元件以全活性的压电堆的形式进行构造。