专利名称：流体喷射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于喷射加压流体例如燃料的装置，它特别用于内燃发动机。
背景技术：
更具体的说，根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于喷射加压流体1的喷射装置7-通常称为喷射器，该喷射装置7类似于在图1中部分示出并且例如在法国专利申请FR 2 888 889中描述的现有技术的喷射装置。这种已知的喷射器7具有主喷射轴线AB， 并且至少包括-壳体2，该壳体包括至少一个轴向空腔20，该空腔20填充有加压流体1并开口通向壳体2的内部21 ；-表现为堆叠件的致动器3，该致动器包括至少一个电活性部分30，该电活性部分包括电活性材料300并设置有〇第一横向面31，该第一横向面通过穿入构件33轴向延伸；和〇在轴向上与第一横向面31相对的第二横向面33，该致动器3安装成能在壳体2中轴向地运动，并且所述构件33包括活塞330，该活塞以基本流体密封的方式接合在空腔20中并在致动器3和壳体2之间形成流体连接，-激励机构，该激励机构设计成使得致动器3的电活性部分30以设定的周期τ振动。在现有技术中，由于需要在活塞330处提供液体渗漏(极细微的流动)以便减少振动的活塞330和静止的空腔20之间的摩擦，因此导致上述流体连接具有缺陷。
发明内容
基于此，本发明的目的是克服该困难并提供一种更有效的流体连接。为此，根据上述前文给出的喷射装置的一般定义，在其他方面中，该喷射装置的实质特征在于，所述穿入构件具有轴向长度，使得由该致动器的电活性部分的振动产生并沿着该长度行进的声波的传播时间T-称为“声波飞行时间”-满足如下等式T = [2η+1]女[τ /4] (El)其中η为正整数系数。以这种方式布置喷射器可使活塞和空腔之间形成完美的密封。由于特殊的声学结构，特别是穿入构件的选择性轴向声学长度，该活塞-尤其是其指向空腔并沿轴向远离致动器的第一横向面的自由端部-具有表现为振动节点的倾向，也就是说，相对于空腔基本保持固定(稳定)，而不会由此妨碍致动器在壳体中的振动运动。结果，不再需要润滑活塞， 该活塞于是可以机加工成与空腔匹配，从而防止所述渗漏发生并提供更有效的流体连接。根据本发明的第二方面，本发明涉及一种内燃发动机，该内燃发动机使用根据本发明的流体喷射装置，也就是说，本发明涉及一种装配有该喷射装置的发动机。
从下面参照附图以非限制性示例给出的说明中将更清楚本发明的其他特征和优点，在附图中图1是根据现有技术的喷射器的图，该喷射器布置在发动机中并配备有所谓的突尖型针，该针与轴向地安装在壳体中的致动器相关联；图2是根据本发明的喷射器的图，该喷射器布置在发动机中并配备有所谓的突尖型针，该针与轴向地安装在壳体中的致动器相关联；图3和4以简化的示意图示出根据本发明的喷射器的穿入构件，该穿入构件包括活塞和具有单向横截面的穿孔的中间体部，其中图3是侧视图，图4是俯视图；图5示意性地示出根据本发明的喷射器的穿入构件的简化纵向截面，该穿入构件包括活塞和包括至少一个折叠部的中间体部；图6和7以简化的示意图示出根据本发明的喷射器的穿入构件，该穿入构件包括活塞和具有实心双向横截面的中间体部，其中图6是侧视图，图7是俯视图；图8和9以简化的示意图示出根据本发明的喷射器的穿入构件，该穿入构件包括活塞和具有空心双向横截面的中间体部，其中图8是侧视图，图9是俯视图；图10和11示出由喷嘴和突尖型针形成的阀的操作，其中图10示出关闭的阀，图 11示出打开的阀。
具体实施例方式阐述了现有技术的图1已经在上文进行了讨论。如前所述，并且如图2至11所示，本发明涉及一种喷射装置或喷射器7，该喷射装置或喷射器用于将加压流体1从喷射器7喷射出。这例如可以将加压流体1喷射到-内燃发动机8的燃烧室80内(图2)；或-进气管道(未示出)内；或-排气管道特别是容纳在所述排气管道内的排放控制机构内，以便于在其中发生氧化反应而使炭烟氧化。喷射器7具有主喷射轴线AB，该主喷射轴线AB优选与喷射器7的对称轴线重合。喷射器7包括至少一个壳体2，该壳体优选为柱形形状(例如呈现回转对称性)， 该壳体包括至少一个轴向空腔(孔腔)20，该空腔填充有加压流体1并向壳体2的内部21 开口。如图2所示，壳体2可以通过至少一个第一加压开口 22连接至发动机8的至少一个加压回路9。加压回路9包括至少一个用于处理加压流体1的装置90，该装置90例如包括泵、箱体、过滤器、阀。如在上述现有技术中一样，用于传送加压流体1的通道可以布置在壳体2中，以将加压回路9连接至加压开口 22。喷射器7包括至少一个致动器3，该致动器具有柱形形状(例如呈现回转对称性) 的堆叠件，该致动器包括至少一个电活性部分30，该电活性部分包括电活性材料300。该电活性部分30用于以预定频率ν产生振动(如图3，5，6，8中的箭头YJ2所示)，例如以可以在大约20kHz和大约60kHz之间延伸的超声频率产生振动，也就是说，以大致50 μ s至大致60 μ s之间的设定振动周期τ产生振动。举例来说，对于钢材，振动波长λ在ν = 50kHz ( τ = 20 μ s)时为大约K^m。致动器3至少包括激励机构14，该激励机构设计成将电活性部分30设置成以所述设定周期τ振动(特别是轴向振动)。堆叠件可以与致动器3重合(图幻并设置有第一横向面31和第二横向面32，该第一横向面31通过穿入构件33沿轴向延伸，该第二横向面32在轴向上位于与第一横向面 31相对的端部。穿入构件33的线性尺寸，例如该穿入构件的垂直于轴线AB测量的宽度和 /或该穿入构件的沿着轴线AB测量的长度均小于堆叠件的相应尺寸。所述穿入构件33可包括以基本流体密封的方式(例如轴向)接合在空腔20中的活塞330，该活塞330形成了致动器3和壳体2之间的流体连接。如在缸致动器中一样，所述流体连接根据(在图2的壳体2的内部21中来自喷射器7的加压区域的)加压流体1与来自喷射器7的减压区域的压力降低的该同一流体10之间的作用在活塞330上的压差工作，该减压区域在2中绘制为经由减压开口 23和至少一个关断机构120诸如阀连接至空腔20的减压回路12的形式。致动器3安装在壳体2中，使得该致动器3能够运动。因而，致动器3设计成在壳体2中轴向地振动。致动器3也可以设计成围绕轴线AB自己旋转。通过所述流体连接，可以使致动器3相对于壳体2到达预定轴线位置，并且在喷射器7在稳定条件下运行的同时 (也就是说，在喷射器7在除了发动机起动和停止阶段之外的预定温度运行的同时)保持其位置。根据本发明，所述穿入构件33具有称为声学长度的轴向长度L，使得由致动器3的电活性部分30的振动产生并沿着该长度L行进的声波的传播时间T满足如下等式T = [2η+1] * [ τ /4] (El)其中η为正整数系数(图2-3、5-6、8)。应当理解，穿入构件33的声学轴向长度L和线性(非声学)轴向尺寸通常采取两个不同的物理值的形式。应该指出，图2-3、5-6和8示出了其中这两个值相同的特殊情况。优选地，所述穿入构件33包括在轴向上位于活塞330和第一横向面31之间的至少一个中间体部331。而且，活塞330径向伸出超过该中间体部331。由于该布置，一方面可以使得穿入构件33的重量更轻，另一方面可以在活塞330 上产生第一承载表面3301 (图3、5-6、8)，该第一承载表面指向第一横向面31并且设计成用于向中间体部331(最终向致动器3)传递源自加压流体1的压力。因而，可以沿与图2中的箭头AB相反的方向利用在朝向壳体2的外部定向的方向上作用在第一承载表面3301上的加压流体1 (图3、5-6、8)轴向地推动活塞330 (并因此推动致动器3)。优选地，活塞330的声学轴向长度hp与中间体部331的长度h。相比可以忽略，hp <<h。(图8)。同样，活塞330的线性(非声学)轴向厚度与中间体部331的线性(非声学)轴向尺寸相比可以忽略。这些布置有助于使穿入构件33的重量更轻。所述中间体部331可以是如下体部中的一个(a)第一体部3310(例如图3_4中所示的薄片3310)，其具有横向于所述轴线AB的至少一个单向截面；(b)第二体部3311(例如图5-7中所示的呈回转柱体形状的实心轴向杆3311)，其具有横向于所述轴线AB的至少一个双向实心截面；(c)第三体部3312(例如图8-9中所示的套筒管3312)，其具有横向于所述轴线AB的至少一个双向空心截面。由于这些布置，可以使得穿入构件33甚至更轻。优选地，所述中间体部331是穿孔的(图3、5)。这些布置也有助于减轻穿入构件33的重量。
所述中间体部331可以包括至少一个折叠部3313。图5示出了中间体部331的一种可选实施形式，它包括相对于轴线AB对称地定位的两个折叠部3313。另外，所述中间体部331可以包括至少一个轴向非连续区域3314，该轴向非连续区域如图3所示地通过轴向穿孔3315产生，或者如图5所示地通过非连续的实心轴向杆3311产生。由于该布置，可以仅减小所述中间体部331的轴向尺寸，而不会改变其声学轴向长度L。喷射器7包括至少一个具有沿着轴线AB的长度的喷嘴6，该喷嘴6沿着所述轴线 AB包括喷射孔口 60和座61。在相反端部，喷嘴6连接至壳体2(图2)。壳体2的线性尺寸，例如该壳体的垂直于轴线AB测量的宽度和/或该壳体的沿着轴线AB测量的长度可以大于喷嘴6的相应的尺寸。壳体2的密度可以超过喷嘴6的密度。喷射器7可以包括至少一个针5。该针沿着所述轴线AB具有自由端部50，该自由端部在与座61接触的区域内限定了阀。在相反端部，针50通过第一结合区域^J1 (图2) 连接至致动器3的堆叠件，具体是连接至其第二横向面32。致动器3的线性尺寸，例如该致动器的垂直于轴线AB测量的宽度和/或该致动器的沿着轴线AB测量的长度可以大于针 5的相应尺寸。致动器3的密度可以大于针5的密度。致动器3设计用于将针5设置成以所述设定周期τ振动，从而在其端部50和喷嘴6的座61之间产生能够交替地打开和关闭阀的相对运动，如图10-11所示。致动器3因而作为控制针5的主动“支配者”起作用，针 5则作为受控的被动“受支配者”。由于这些布置，当阀打开时从喷嘴6逸出的加压流体1所形成的薄层被打碎而形成微小液滴(未图示)。在喷射器7的一个其中该喷射器向燃烧室80喷洒燃料的应用中， 微小液滴促进了更均勻的空气/燃料混合，这降低了发动机8的排放并使得发动机更经济。针5的限定阀的端部50优选通过用以封闭座61的顶端51沿着轴线AB远离致动器3纵向地伸出，从而当阀关闭时(图10)使喷射器7获得更好的密封。图2、10至11示出了针5具有称为突出顶端的顶端51的情况，该顶端51具有在燃烧室80内从壳体2朝向喷嘴6的外部沿图2中的箭头AB的方向张开的(优选截头锥形的)发散形状。优选地，顶端51的至少一个侧壁510(在图11中的示例中，该侧壁为截头锥形)与轴线AB形成预定钝角α (α >90° )。阀限定在突出顶端51处，位于该突出顶端51与座61接触的区域中。突出顶端51在喷嘴6的外部封闭座61 (在图2中的箭头AB 的方向上背离壳体2)。喷嘴6的座61可以是朝向喷嘴6的外部发散的相应地向外张开的 (优选截头锥形)形状。这些布置有助于提高阀关闭时(图10)喷射器7的密封。如图2所示，堆叠件包括至少一个称为放大器34的部分34，该部分第二横向面32 处沿轴向连接至针5，电活性部分30和针5轴向地布置在该放大器34的两侧。该放大器设计成用于将电活性材料300的振动传递至针5，并将所述振动放大以使得针5在阀处的振动大于电活性材料300的变形的总和。放大器34可以具有基本为柱形的形状，例如呈现回转对称性(图幻。可选地，放大器34可以具有不同的形状(未示出)，例如在从电活性部分 300指向针5的轴线AB的方向上变窄的截头锥形形状。该堆叠件还包括称为后质量体(团块)35的至少一个其他部分35，放大器34和后质量体35沿轴向定位在电活性部分30的两侧。后质量体35具有在轴向上位于与电活性部分30相反的端部处的壁，所述壁与堆叠件的第一横向面31重合。
7
后质量体35有助于使由机械加载引起的轴向应力更均勻地(横向于轴线AB)分布在电活性材料300上。因而，可以减少例如在喷射器7的组装和/或运行过程中电活性材料300的裂纹和/或破损的数量。优选地，电活性材料300是压电材料，并且可以呈一个或多个陶瓷压电垫片的形式，该一个或多个陶瓷压电垫片在轴向上彼此上下堆叠以形成堆叠件的电活性部分30。电活性材料300的选择性变形，例如以设定周期τ周期性变形，在喷射器中产生的声波最终导致针5的顶端51相对于喷嘴6的座61进行相对纵向运动，反之亦然，从而能够交替地打开和关闭阀，如以上结合图2和10-11所描述的。这些选择性变形由相应的激励机构14控制，该激励机构14设计成例如利用经由导线(未示出)施加至与压电电活性材料300相连的电极301的电位差产生的磁场将堆叠件的电活性部分30设置成以设定周期τ振动。或者，电活性材料300可以是磁致伸缩的。它的选择性变形例如利用由选择性磁场产生的磁感应由相应的激励机构(未图示)来控制，该选择性磁场例如利用例如附接至堆叠件或围绕堆叠件的另一线圈的激励器特别是线圈获得。放大器34、电活性部分30和后质量体35 一方面，由预加载机构36夹持在一起，该预加载机构设计成至少部分地对所述堆叠件进行预加载；并且 另一方面，设计成使得由电活性部分30的振动引起的声波穿过。由于这些布置，致动器3 (—方面与穿入构件33—起，另一方面与针5—起)形成了用于声波传播的介质，该介质具有至少一个线性声阻抗I，该线性声阻抗I取决于该介质的垂直于轴线AB的横截面的表面面积Σ、该介质的密度P和穿过介质的声速c :I = fx( Σ, P，c)。因而，可以通过针5的端部50的运动控制获得喷射器7的对燃烧室80内的压力不太敏感的阀开度。同样，给定穿入构件33的所述选择性声学长度L-用上述等式 El表示，则可以使穿入构件33的第二承载表面3302(更一般地说，活塞330的表面)以位移节点的方式动态稳定或轴向固定，该第二承载表面指向空腔20并设计成一旦与流体1接触则传递特定于所述流体连接的轴向力，以便调节致动器3在喷射器7中的所述预定轴向位置。第二承载表面3302通过保持其沿着轴线AB的纵向速度等于零而保持动态稳定，从而很好地利用穿过穿入构件33离开后质量体35的声波的传播现象的周期性。中间体部31采取这样的体部形式，S卩，该体部的垂直于轴线AB的径向尺寸与其线性(非声学)轴向尺寸相比较小。如上所述，活塞330的线性轴向(非声学)尺寸(就像其轴向厚度一样)与中间体部331的线性轴向尺寸相比可以忽略。结果，穿入构件33的简化声学模型可以由在第二接合区域AJ2嵌入后质量体35中的杆(例如纵向穿入的实心杆 (图6)或空心杆(图8))表示。利用等式AFtl=E* Δ σ =Σ ^ ζ ^ Δ ν将声波的传播与张力(力)跳变和速度跳变Δν的传播相结合，其中，Σ是杆的垂直于其主轴线 AB (例如其对称轴线)的横截面的表面面积，Δ σ = ζ ^ Δ ν是应力跳变，ζ是由等式ζ = P女C限定的声学阻抗，其中P是杆的密度，c是穿过杆的声速。应当理解，张力Ftl对于压缩来说是正的，速度V在声波的传播方向上是正的。表征杆-实心杆或空心杆-的声学特性的乘积Ι=Σ*Ζ=Σ* ρ *c称为“声学线性阻抗”或“线性阻抗”。在第二接合区域AJ2中发生线性阻抗I中的至少一个第一突变。术语“突变”应理解为是指线性阻抗I中的超过预定阈值的变化，该预定阈值代表线性阻抗突变区域的相对于声波传播方向的线性阻抗上游和下游之间的差值，该线性阻抗突变区域位于一介质中， 声波通过该介质传播一距离，该距离与波长相比优选小于波长的八分之一 λ/8。线性阻抗 I中的第二突变发生在穿入构件33的在轴向上与后质量体35相反的端部处(或当活塞330 的声学轴向长度\可忽略时，发生在中间体部331的端部处)。对于以声学飞行时间T表达的声学轴向长度L = f (T)，这是在线性阻抗I中的第一和第二突变之间测量的。应该理解，上述等式El应该认为是在到考虑制造局限性而设计的一定公差之内满足的，例如设定周期τ的约士 10%的公差，也就是说设定周期的四分之一 τ/4的大约士40%。考虑到该公差，等式El可以重新写为T= [2η+1] * [ τ/4] 士 0. 4 * [ τ /4] (Ε2)实践上，以声学飞行时间T表达并且在以工业规模生产的相应部件上测量的声学轴向长度L = f (T)可以出现与利用上述等式El计算的参考值相比的微小变化。这些微小变化可能是由于增加的质量效应引起的。这些增加的质量可能例如对应于在垂直于中间体部331的轴线AB的平面中的引导凸起(未示出)。所述公差带使得可以将所述增加的质量效应考虑在内，以便利用上述等式E2修正关于声学飞行时间的声学轴向长度的表达式L = fCT)。优选地，所述喷射器7可以包括密封机构4，该密封机构4 沿径向插入在活塞330和空腔20之间，以便在它们之间形成密封区域；以及 沿轴向插入在活塞330的第一承载表面3301和第二承载表面3302之间，以避免流体1发生轴向泄漏，这种轴向泄漏会破坏施加至活塞330的轴向力的平衡，并最终破坏所述流体连接。因为活塞330的第二承载表面3302由于由上述等式El或E2中的至少一个所描述的穿入构件33的选择性声学轴向长度L = f(T)而动态稳定，所以密封的存在不会使后质量体(更一般地说，致动器幻的振动YJ2变慢，最终不会对喷射器7的阀的打开和/或关闭有任何影响。可以设置用于复位致动器3的复位机构11，以便使针5的顶端51保持压靠在喷嘴 6的座61上，从而确保例如在喷射器7已经组装好之后以及在喷射器安装在发动机8的气缸盖13上时将喷射器7连接至用于流体1的加压回路9之前阀在没有流体1时关闭。这有利地使得喷射器7的内部21能够得到保护而免受任何灰尘影响，所述灰尘例如会使电活性部分30的电极301短路。复位机构11可以由预加载的螺旋弹簧表示，该螺旋弹簧相对于加压流体1流向喷嘴6的方向沿着轴线AB定位在壳体2的下游。
权利要求
1.用于喷射加压流体(1)的喷射装置(7)，该喷射装置具有主喷射轴线(AB)并至少包括-壳体O)，该壳体包括至少一个轴向空腔(20)，该轴向空腔填充有加压流体(1)并向所述壳体O)的内部开口 ；-致动器(3)，该致动器呈现为堆叠件，该致动器包括至少一个电活性部分(30)，该电活性部分包括电活性材料(300)并且设置有一第一横向面(31)，该第一横向面通过穿入构件(3 在轴向上延伸；以及一与第一横向面(31)沿轴向相对的第二横向面(32)，所述致动器C3)安装成能够在壳体( 中沿轴向运动，所述构件(3 包括活塞(330)， 该活塞以基本上流体密封的方式接合在所述空腔00)中并形成所述致动器( 和所述壳体( 之间的流体连接，-激励机构，该激励机构设计成将所述致动器(3)的电活性部分(30)设置成以设定周期τ振动，其特征在于，所述穿入构件(3 具有轴向长度(L)，以使得由所述致动器(3)的电活性部分(30)的振动产生并沿着该长度(L)行进的声波的传播时间T满足如下等式T = [2η+1]女[τ/4]，其中η是正整数系数。
2.根据权利要求1所述的喷射装置(7)，其特征在于，所述穿入构件(33)包括至少一个中间体部(331)，该中间体部在轴向上位于所述活塞(330)和所述第一横向面(31)之间； 所述活塞(330)沿径向伸出超过所述中间体部(331)。
3.根据权利要求2所述的喷射装置(7)，其特征在于，所述中间体部(331)是如下体部中的一个(a)第一体部(3310)，它具有横向于所述轴线(AB)的至少一个单向截面；(b) 第二体部(3311)，它具有横向于所述轴线(AB)的至少一个实心双向截面；(c)第三体部 (3312)，它具有横向于所述轴线(AB)的至少一个空心双向截面。
4.根据权利要求2或3所述的喷射装置(7)，其特征在于，所述中间体部(331)是穿孔的。
5.根据权利要求1至4之一所述的喷射装置(7)，其特征在于，该喷射装置包括密封机构G)，该密封机构径向地插入在所述活塞(330)和所述空腔00)之间。
6.根据前述权利要求之一所述的喷射装置(7)，其特征在于，该喷射装置包括至少一个针(5)；所述堆叠件包括称为放大器(34)的至少一个部分(34)，该放大器在第二横向面 (32)处轴向地连接至该针(5)，该电活性部分(30)和该针( 轴向地位于该放大器(34) 的两侧。
7.根据权利要求6所述的喷射装置(7)，其特征在于，所述堆叠件包括称为后质量体 (35)的至少一个其它部分(35)，所述放大器(34)和所述后质量体(3 分别轴向地布置在所述电活性部分(30)的两侧；该后质量体(3 具有在轴向上位于与所述电活性部分(30) 相反的端部处的壁，该壁与该堆叠件的第一横向面(31)重合。
8.根据权利要求7所述的喷射装置(7)，其特征在于，所述堆叠件与所述致动器(3)重合；所述放大器(34)、电活性部分(30)和后质量体(3 由预加载机构(36)夹持在一起， 并且设计成使得由所述电活性部分(30)的振动产生的声波能够穿过它们。
9.根据权利要求6至8之一所述的喷射装置(7)，其特征在于，该喷射装置包括喷嘴(6)，该喷嘴沿着所述轴线(AB)包括喷射孔口(60)和座(61)并且在相反端部处连接至所述壳体O)；所述针( 沿着所述轴线(AB)具有自由端部(50)，该自由端部在与所述座 (61)接触的区域中限定一阀，并且在相反端部处连接至所述致动器(3)的堆叠件，该致动器将所述针( 设定在振动状态下，从而在该针的端部(50)和该喷嘴(6)的座(61)之间产生能够交替地打开和关闭所述阀的相对运动。
10. 一种内燃发动机(8)，该内燃发动机使用根据前述权利要求之一所述的加压流体 (1)的喷射装置(7)。
全文摘要
本发明涉及一种具有喷射轴线(AB)的喷射器(7)，该喷射器包括壳体(2)，该壳体包括轴向空腔(20)；致动器(3)，该致动器包括电活性部分(30)并具有以穿入构件(33)的形式延伸的第一前表面(31)和与该第一前表面(31)相对的第二前表面(32)，该致动器(3)安装在该壳体(2)中，该构件(33)包括活塞(330)，该活塞插入在所述空腔(20)中并形成致动器(3)和壳体(2)之间的流体连接；激励机构，该激励机构用于使致动器(3)的电活性部分(30)以设定点周期τ振动。根据本发明，所述穿入构件(33)具有长度(L)，以使得贯穿所述致动器行进的声波的传播时间(T)满足等式T＝[2n+1]＊[τ/4]，其中n是正整数系数。
文档编号F02M69/04GK102216600SQ200980145155
公开日2011年10月12日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年9月16日
发明者A·阿涅雷, L·勒万, N·马莱克 申请人:雷诺股份公司