专利名称：喷射系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及喷射系统，尤其涉及设有一个压电致动器及一个控制部分的燃料喷射 装置。本发明特别涉及空气压缩的、自点火的内燃机或混合气压缩的、强制点火的内燃机的 燃料喷射装置的领域。
背景技术：
由DE 101 62 250 Al公知了用于将燃料直接喷射到内燃机的燃烧室中的燃料喷 射阀。该公知的燃料喷射阀具有一个压电致动器及一个由该致动器操作的阀关闭体，该阀 关闭体与一个阀座面相互作用形成密封配合。这里在致动器与阀关闭体之间的操作路径中 设有一个补偿间隙。在致动器中设有一个测量元件，该测量元件测量由致动器施加给阀关 闭体的力。致动器被这样地调节，以致保持补偿间隙关闭。由DE 101 62 250 Al公知的燃料喷射阀具有其缺点，即可提供来操作燃料喷射阀 的行程被减小。因此需要一个相应长些的致动器，这对燃料喷射阀的结构尺寸产生不利的影响。
发明内容
根据本发明的具有权利要求1的特征的喷射系统具有其优点，即实现了对压电致 动器的更好的控制。尤其是致动器的可供使用的行程可有利地用于操作阀件及可始终达到 密封座的关闭。通过从属权利要求中所述的措施可得到在权利要求1中给出的喷射系统的有利 的进一步构型。该压电致动器以有利的方式被构成多层的压电致动器。多层的压电致动器为金属 陶瓷构件，它用作调节元件。在机动车应用中可调节地喷射燃料是一个优先的应用领域。在 此情况下具有压电致动器的喷射器被构成直接或间接开关的喷射器。在直接开关的喷射器 中多层致动器与构成喷嘴针的阀件形成直接接触，以致压电致动器的电压控制或电荷控制 的偏移将导致控制阀的打开。在间接控制的喷射器上通过一个伺服阀实现运动的反向。在 此情况下致动器及喷嘴针在相反的方向上运动。最好在喷射系统中实现直接的开关。但在直接喷射的喷射器上存在一个问题，即 由于压电致动器的陶瓷材料与阀壳体不同的的热膨胀系数可能在压电致动器与阀件之间 的作用连接中出现间隙。在此情况下压电陶瓷材料通常具有很低的或负的热膨胀系数，而 通常由钢构成的阀壳体具有正的热膨胀系数。在例如-40°C至约150°C的使用范围中可得 到约130 μ m的热不兼容性。为了避免在高温时在致动器与阀件之间形成间隙及保证致动 器对阀件的恒定压紧力，可考虑使用液压耦合器。这种液压耦合器除补偿几乎静态地进行 的长度变化外，在致动器的控制时出现的动态过程中则表现得非常刚性及由此允许喷嘴针 运动。但这种液压耦合器是一个附加的构件，因此最好喷射系统不构有这种液压耦合器。在此情况下压电致动器以有利的方式用一个端面支撑在阀壳体上，其中致动器的
3该端面到阀壳体的距离通过支撑装置被固定地给定。为了减小由温度引起的长度变化更有 利的是，阀壳体的至少一个材料被这样地设定，以使得致动器与阀关闭体之间的作用连接 中由温度引起的长度变化被减小。由此也减小了控制部分为了维持致动器与阀件之间的作 用连接所需的致动器的补偿控制尺度。因此以有利的方式实现了具有直接开关的喷射器的 喷射系统，其中可省掉一个液压耦合器。例如可通过阀壳体的优化构型使致动器与阀壳体 之间的间隙形成在一个相关的温度范围、例如从-40°C至约150°C的范围中减小到几ym。在致动器与阀件之间的作用连接中可能还存在的间隙-该间隙可由制造公差、磨 损或对不同的热膨胀系数的补偿不足引起-则以有利的方式通过控制部分来补偿。在此情 况下致动器的行程至少在很大程度上供阀件的操作使用。间隙的补偿通过压电致动器的自 适应的长度适配来实现，其中进行双极化的电控制。这里为了操作阀件，由控制部分根据致 动器的极化及反致动器极化地控制致动器，其中通过反致动器极化的控制达到致动器的压 电材料的剩磁状态的减小。压电致动器的自适应的长度调节通过合乎要求的双极化或近似双极化的控制来 实现。由此即使在直接开关的喷射器上也可防止致动器与阀件之间的间隙形成及可达到致 动器作用在阀件上的恒定压紧力。为了检测致动器何时与阀件直接地接触，可使用致动器 本身。尤其可对致动器的充电及去电荷的特性求值。也可以是，致动器具有一个传感元件，它用于检测压电致动器与阀件之间的作用 连接中的机械应力；压电致动器的控制部分根据由传感元件检测的机械应力反致动器极化 地控制致动器。这里这样一个传感元件可包括多个组合在致动器中的压电陶瓷层。因此无论在对致动器特性求值的情况下，还是在使用传感元件的情况下均利用直 接的压电效应，根据该压电效应当压电陶瓷层受机械负荷时将导致陶瓷表面上成比例的电 荷产生。例如可预给定致动器一个100牛顿的机械预压力。如果致动器的机械预压力上升 到180牛顿或更高，密封配合则持久地打开。在该时刻通过致动器至OV上的电控制已不再 可能完全地达到关闭。而通过致动器反其极化的控制可使致动器缩短，以致也使预压力减 小。尤其可使致动器的机械预压力再调节到100牛顿上。密封配合的关闭则又成为可能。控制部分在调节方面可利用由传感元件检测的机械应力。在此情况下控制部分以 有利的方式这样控制致动器，以使得由传感元件检测的机械应力至少近似地等于一个预给 定的机械的给定应力。由此可达到由机械的给定应力预给定的、致动器对阀件的压紧力。必 要时也能保持一个具有确定距离的间隙。有利的是致动器被这样地设置，即在一个初始状态中在致动器的部分控制时根据 致动器的极化能使压电致动器与阀件之间形成作用连接。此外有利的是致动器直接地控制 阀件。通过喷射器的、尤其在其中设有致动器的阀壳体的结构上的构型可达到在一个中等 的近似双极化的控制时及由此在致动器的一个中等长度时，在致动器与阀件之间不出现间 隙。由此在工作中出现的间隙可通过致动器的自适应的长度变化来避免。在此情况下控制 部分仅改变负电场分量的大小，其中反致动器极化地进行致动器的控制，并由此调节到一 个适配的剩磁状态。此外有利地，控制部分被这样构成，即通过对致动器反致动器的极化地控制达到 致动器的初始长度的一个负的长度改变。由此可达到阀关闭体与阀座面之间的密封配合的关闭。
在以下的说明中将借助附图来详细地描述本发明的优选实施例。附图表示图1 根据本发明的一个实施例的喷射系统的简化的概图，及图2 用于说明根据本发明的该实施例的喷射系统的一个概要曲线图。具体实施形式图1以概要视图表示根据本发明的一个实施例的喷射系统1。该喷射系统1尤其 可被构成燃料喷射装置。喷射系统1具有一个喷射阀2，该喷射阀可被构成燃料喷射阀。这 里可设有多个喷射阀2。该喷射系统1的一个优先应用在于压缩空气的、自点火的内燃机或 混合气压缩的、强制点火的内燃机。但本发明的喷射系统1也适用于其它的应用场合。喷射阀2具有一个阀壳体3，在其中构有一个致动器室4及一个燃料室5。在此情 况下燃料可通过燃料导管6输送到阀壳体3的燃料室5中。在阀壳体3的致动器室4中设有喷射系统1的一个压电致动器10。该压电致动器 10具有多个陶瓷层11及多个设在陶瓷层之间的电极层12。这里电极层12交替地与外电 极连接部分13，14连接。外电极连接部分13，14以适当的方式与导入阀壳体3中的电导线 15，16电接触。压电致动器10通过电导线15，16与一个控制部分17连接。这里控制部分17可为一个控制装置或类似装置的一部分。控制部分17除控制喷 射阀2外还可控制其它的喷射阀。喷射阀2具有一个阀件18，在该实施例中它被构成喷嘴针。这里在阀件18上构有 一个阀关闭体19，该阀关闭体与阀座面20相互作用形成密封配合。压电致动器10用其一个端面21支撑在阀壳体3上。致动器10用致动器10的另 一端面22与阀件19的一个端面23相互作用。此外设有一个阀弹簧24，它支撑在致动器 10的端面22上及对致动器10加载一个预压力。以下将参照图2来更详细地描述喷射系统1的构型及其工作原理。图2表示一个用于说明喷射系统1的工作原理的曲线图。这里在横坐标25上记 录了通过在电导线15，16之间施加一个电压在陶瓷层11中所产生的电场。在纵坐标沈上 记录了压电致动器0沿纵轴线27的伸展。这里应指出，在横坐标25上记录的电场涉及例 如一个陶瓷层11，因为致动器10的各个陶瓷层11交替地相互相反地被极化。在一个初始状态观中致动器10未被极化。然后致动器10被极化，以致按照断续 表示的线四的延伸在致动器10中产生出一个极化状态，它在达到最大值时导致一个伸展 30。在接着的致动器10的去电荷时不再取得其初始状态观。在电场减小时，即电压下降到 OV时，致动器10的状态沿曲线31在方向32上达到一个点33。如果致动器接着再被通电， 则致动器10的状态沿曲线34在方向35上延伸，以致又达到一个具有伸展值30的点36。致动器10在方向32，35上沿曲线31，34在点33，36之间的充电及去电荷相应于 致动器10的常规的单极化控制。在此情况下出现一个滞后，这可由曲线31，34相互合成的 总曲线31，34的透镜构型看出来。致动器10的压电材料的剩磁状态可由点33看出。与该剩磁状态相关联的也是致 动器10的长度，该长度与在先进行的电控制直接相关。在第一次通电时沿断续地表示的线29形成该剩磁状态，以致该致动器10得到在点33上的持久的长度伸展。当致动器10仅在 正电场方向上、即用正的电压并由此单极化地被供电时，则在点33上出现一个相对高的、 稳定的剩磁状态，该状态在恒定温度时不变化。如果压电致动器10的陶瓷材料相反地被施加一个很小的负电压，这就是说近似 双极化，则可达到陶瓷材料剩磁状态的减小。对此致动器10被反极化地控制。在此情况下 曲线31可由点36出发延伸下去，其中附加地连接了一个曲线区段37，以致达到点38。相 对点33在点38上达到了致动器10的缩短。如果接着电压又升高到0V，即其幅值下降到 0V，则例如沿曲线区段39到达点40。在点40上所施加的电压消失。在电压升高到OV时相 对点33附加地得到一个保留的缩短，如在纵坐标沈上比较点33，40所表明的，在该纵坐标 上记录致动器10的伸展。在致动器10上接着施加一个正电压时延伸出一个曲线区段41， 以致又达到点36。这里在工作中曲线区段39，40可共同地在方向35上延伸。接着曲线31 又将在方向32上延伸，其中可附加地连接曲线区段37。曲线37的长度可通过电压变化来改变。例如曲线区段37也可仅延伸到点42。并 且在点42上相对点33也达到了致动器10的缩短。当接着延伸出虚线所示的曲线43时， 则在达到OV电压时通过点44。在点44上相对点33致动器10也缩短。因此视负电场的大 小而定可得到致动器10成正比的缩短。剩磁状态-例如在点33上所表明的-随着温度强烈地变化，其中在温度高时减 小。因此该近似双极化的控制也可用于补偿由温度引起的剩磁状态的改变。喷射阀在结构上被这样地设计，即当一个中等的近似双极化的控制时，这就是说 在致动器10的一个中等长度时，在致动器10的端面22与阀件18的端面23之间的区域50 中不出现间隙。由此在工作中出现的间隙可通过致动器10的自适应的长度变化来补偿并 由此来避免。为此，控制部分17相应地调节负电场分量的值。由此调节到一个适配的剩磁 状态，例如点40，44中的一个。因此控制部分17根据致动器10的极化及反致动器10的极化地控制致动器10。 在此情况下通过反致动器10的极化地控制致动器10可达到致动器10与阀件18之间的
作用连接。致动器10本身可用来检测致动器10何时与阀件18直接地接触。对此可利用致 动器10的陶瓷层11的直接的压电效应，依据该压电效应在陶瓷层11受机械负荷时可在陶 瓷表面上引起电荷成比例的产生，该电荷可通过电导线15，16来检测。此外也可以是在致动器10中组合一个传感元件51，该传感元件也由压电陶瓷组 成。在此情况下传感元件51通过适合的信号导线与控制部分17连接。信号也可通过电导 线15，16输送到控制部分17。在此情况下也是利用当传感元件51的陶瓷受机械负荷时 在陶瓷表面上出现电荷成比例地产生，该电荷将被检测出。通过传感元件51也可检测机械应力，该机械应力与一个机械的给定应力相比较。 这里控制部分17可进行检测的机械应力与预给定的给定应力的平衡，以致通过对致动器 10的相应控制使机械应力至少近似地等于预给定的机械的给定应力。由此可保证致动器10总是以一个预给定的恒定的靠压力接触在阀件18上。由此可实现对阀件18的有利控制，通过该控制以有利的方式使致动器10的行程 用于操作阀关闭体19。在阀关闭体19的一个操作时该阀关闭体从阀座面10上抬起，以使得阀关闭体19与阀座面20之间的密封配合打开及使燃料由燃料室5喷射到例如一个内燃 机的燃烧室中。阀壳体3可完全地或部分地由合适的材料构成，以致在致动器10与阀件18之间 的作用连接中由温度引起的长度变化被减小。此外该喷射阀2不用构有一个液压耦合器或 类似部分来补偿长度的变化。并且也不需要其它的补偿元件。因此可以作到喷射阀2紧凑 的及成本上有利的实施。例如可预给定致动器10的一个100牛顿(N)的机械预压力。如果该机械预压力 上升到例如180牛顿或更大时，则阀关闭体19与阀座面20之间的密封配合被持久地打开。 在该时刻通过致动器10至OV上的电控制、例如控制在点33上已不再可能达到完全的关 闭。而通过致动器10的反其极化的控制可使致动器10缩短，以致也使预压力减小。例如 可反极化地控制到点42或控制到点38。在此情况下通过对致动器10反其极化的控制使致 动器10在点33上的初始长度减小。这就得到致动器10的初始长度的负的长度变化。通 过对致动器10反其极化控制的幅值的增大可使初始长度进一步地缩短。这也得到了致动 器10的初始长度的负长度变化。以此方式可专门地使致动器的机械预压力调节到100牛 顿上。这样又可实现密封配合的关闭。因此通过对致动器10反其极化的可变控制可始终 达到一个合适的机械预压力。尤其可实现控制到一个预给定的、例如100牛顿的机械预压 力上。本发明不被限制在所述实施例上。
权利要求
1.喷射系统(1)，尤其燃料喷射装置，设有一个致动器(10)、一个可由该致动器(10)至 少间接地操作的阀关闭体(19)及一个与该致动器(10)连接的控制部分(17)，该阀关闭体 与一个阀座面00)相互作用形成密封配合，该控制部分用于控制该致动器(10)，其中，该 控制部分(17)被设置用于根据该致动器(10)的极化及反该致动器(10)的极化地控制该 致动器(10)，其中，该控制部分(17)还被设置用于这样地反该致动器(10)的极化地控制 该致动器(10)，使得能够关闭构成在所述阀关闭体(19)与所述阀座面00)之间的密封配合。
2.根据权利要求1的喷射系统，其特征在于所述致动器(10)具有一个传感元件 (51)，它用于检测所述致动器(10)与所述阀关闭体(19)之间的作用连接中的机械应力； 所述控制部分(17)被设置用于根据由所述传感元件(51)检测的机械应力亦反所述致动器 (10)的极化地控制所述致动器(10)。
3.根据权利要求2的喷射系统，其特征在于所述控制部分(17)被设置用于这样地控 制所述致动器(10)，以致由所述传感元件(51)检测的机械应力至少近似地等于一个预给 定的机械的给定应力。
4.根据权利要求1至3中任一项的喷射系统，其特征在于所述致动器(10)被这样 地设置，使得在初始状态中在所述致动器(10)部分地控制或控制消失时根据所述致动器 (10)的极化能使构成在所述阀关闭体(19)与所述阀座面00)之间的密封配合关闭。
5.根据权利要求1至4中任一项的喷射系统，其特征在于所述阀关闭体(19)构成在 一个阀件(18)上，所述致动器(10)直接地控制所述阀件(18)。
6.根据权利要求1至5中任一项的喷射系统，其特征在于所述控制部分(17)被这样 构成，使得为了防止在所述阀关闭体(19)与所述阀座面00)之间的密封配合持久地打开， 通过反所述致动器(10)的极化地控制所述致动器(10)，达到所述致动器(10)的初始长度 的负的长度改变。
7.根据权利要求1至6中任一项的喷射系统，其特征在于所述控制部分(17)被这样 构成，使得为了防止在所述阀关闭体(19)与所述阀座面00)之间的密封配合持久地打开， 通过反所述致动器(10)的极化地在幅值上增大地控制所述致动器(10)，达到所述致动器 (10)的初始长度的负的长度改变。
8.根据权利要求1至7中任一项的喷射系统，其特征在于设有一个阀壳体(3)，所述 压电致动器(10)在端面上支撑在所述阀壳体(3)上，所述致动器(10)的所述端面 (21)到所述阀壳体(3)的距离通过支撑装置被固定地预给定。
9.根据权利要求8的喷射系统，其特征在于所述阀壳体(3)的至少一种材料被这样 地预给定，使得所述致动器(10)与所述阀关闭体(19)之间的作用连接中由温度引起的长 度变化减小。
全文摘要
本发明涉及喷射系统(1)，它尤其被构成燃料喷射装置，及包括一个致动器(10)，一个可由致动器(10)操作的阀关闭体(19)，该阀关闭体与一个阀座面(20)相互作用形成密封配合，及一个与致动器(10)连接的控制部分(17)，该控制部分用于控制致动器(10)。这里控制部分(17)被设置用于根据致动器(10)的极化及反致动器(10)的极化地控制致动器(10)。这里控制部分(17)还这样地反致动器(10)的极化地控制致动器(10)，以使得构成在阀关闭体(19)与阀座面(20)之间的密封配合能够关闭。
文档编号F02M51/06GK102102609SQ20101060372
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者A·康斯坦丁, A·雅各比, G·海特曼, G·维费尔, I·斯普雷默, I·柯卡穆, M·凯泽勒 申请人:罗伯特·博世有限公司