本发明涉及用于燃料喷射器的压电致动器，并且涉及具有所述压电致动器的燃料喷射器。
背景技术：
具有压电致动器的燃料喷射器被用于例如内燃发动机中以便计量供给进入燃烧室内的燃料。借助于燃料喷射器精确地计量供给燃料对于设置在机动车辆中的内燃发动机所要求的苛刻需要而言是重要的，诸如关于高度明确的功率设定或符合严格的污染物排放规定。
对于这样的燃料喷射器，除了使用电磁驱动之外，还使用压电致动器以便喷射燃料。所述压电致动器具体地用于柴油内燃发动机中，因为在柴油的情况下，待计量供给的燃料以近似2000bar至2500bar的非常高的压力被频繁地供应到燃料喷射器，并且然后借助于燃料喷射器被计量供给到内燃发动机的相应燃烧室内。
为了改进燃料喷射器中所使用的压电致动器的效率，所述压电致动器用一个力预加载，该力取决于设置在压电致动器中的压电层叠堆的横截面。借助于预加载，也可以实现适度的续航能力。此外，有利的是如果压电致动器被保护以免接触燃料，因为燃料可能损害压电致动器和电气接触连接的绝缘。
图11和图12示出用于预加载和密封压电致动器的公知技术方案。
图11示出燃料喷射器10的部分区域，其中由基板16封闭的压电层叠堆14设置在喷射器主体12中。为了密封，提供膜18，其在图11中的下部图释中单独地示出，并且如箭头P所示，焊接到喷射器主体12上使得在其中设置压电层叠堆14的孔20被密封隔离于环境22。
基板16和压电层叠堆14由图12中所示的管弹簧24围绕，该管弹簧24固定地连接到基板16，并且相对于基板16固定地连接到顶板26（未示出）。
在根据图11和图12的公知燃料喷射器设置中，预加载和密封这两个功能相应地由两个单独的部件实现。预加载借助于管弹簧24发生，同时密封用焊接到喷射器主体12和基板16的膜18发生。
然而，在大的致动器冲程的情况下，例如在燃料喷射器具有直接驱动的喷嘴针的情况中必需的那样，会超出所述膜的负荷承载能力极限。具体地，在燃料喷射器具有液压游隙补偿的情况下，由于压电致动器和喷射器主体之间的热长度改变差异，随着准静态冲程发生加载。
此外，未来将需要每个操作循环执行高达10次喷射的喷射系统。这导致高的电气损耗，这允许压电致动器中的温度上升。不过，重要的是将压电层叠堆的表面处和压电致动器中的温度保持在最大可容许温度之下。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提出一种满足上述需求的改进的压电致动器。
该目的由具有权利要求1的特征的压电致动器实现。
具有这样的压电致动器的燃料喷射器是另一独立权利要求的主题。
本发明的有利改进是从属权利要求的主题。
用于燃料喷射器的压电致动器具有：具有纵向延伸部的压电层叠堆；围绕所述压电层叠堆并具有绝缘层外表面的绝缘层，该绝缘层外表面背离压电层叠堆并且限定绝缘层的外径；以及用于沿纵向延伸部预加载压电层叠堆的预加载装置，其中预加载装置具有面向压电层叠堆并限定预加载装置的内径的预加载装置内表面。在非组装状态中，绝缘层的外径大于预加载装置的内径，并且因此在组装状态中，绝缘层被压缩在预加载装置中。
借助于这种设置，预加载装置和绝缘层与彼此形成紧密接触，并且因此在压电致动器的操作期间产生的工作热能够经由绝缘层和预加载装置的接触被移送至环境。由于绝缘层的外径大于预加载装置的内径的事实，压电层叠堆的装配导致绝缘层的限定的压缩并且因此导致预加载装置内表面和绝缘层外表面之间的规定比，这导致限定的热流。
此外，绝缘层在预加载装置中的这种限定的压缩具有使得压电层叠堆自动地居中在预加载装置中的优点。
预加载装置优选地具有第一端部区域和第二端部区域，并且还具有在第一端部区域和第二端部区域之间的延伸部区域，其中预加载装置的内径至少在这两个端部区域中的一个中大于在延伸部区域中的内径。具体地，预加载装置的内径在端部区域中大于在延伸部区域中，在压电致动器生产期间，其形成侧面，压电层叠堆从该侧面被引入预加载装置中。因此有利地避免了在预加载装置和压电层叠堆与绝缘层装配到一起的期间对绝缘层的刮擦。
出于该原因，尤其有利的是如果预加载装置至少在具有更大内径的端部区域上具有圆形边缘。不过，预加载装置尤其优选地在于装配期间与绝缘层形成接触的所有区域中均具有圆形边缘。
为了密封压电致动器使其从环境隔离，有利的是如果预加载装置被固定地连接到压电致动器的其它元件。为此，压电层叠堆有利地在第一端部处具有封闭所述压电层叠堆的顶板，并且在第二端部处具有封闭所述压电层叠堆的基板，其中预加载装置优选地焊接到顶板和基板，以便密封压电层叠堆和绝缘层使其从环境隔离。
在特别有利的改进中，三维表面结构被设置在绝缘层外表面上。能够由三维表面结构以特别简单的方式有利地实现的效果是绝缘层的成形，使得绝缘层具有大于预加载装置的内径的外径。如果有利地仅三维表面结构的预定区域而不是整个绝缘层外表面具有大于预加载装置的内径的外径，则压电层叠堆与绝缘层和预加载装置的装配优选地显著地简化。这是因为，如果绝缘层的外径作为整体均大于预加载装置的内径，则将产生非常大的装配力，这必需首先被克服，以便将压电层叠堆与围绕压电层叠堆的绝缘层装配到预加载装置内。
例如，三维表面结构可以由绝缘层上的肋状结构实现。肋状结构的有利示例是纵向肋，其特别优选地设置为均匀分布在绝缘层的圆周上。例如，能够提供三个纵向肋或四个纵向肋。
不过，替代性地或者额外地，也可以提供围绕绝缘层表面延伸的一个或多个螺旋状肋。替代性地或者额外地，也可以想到提供一种形成为在垂直于纵向延伸部的横截面中呈多边形的绝缘层。这里的示例包括六边形、八边形、五边形或者星形横截面形式。
为了以特别有利的方式构造压电层叠堆至周围绝缘层和预加载装置的装配，三维表面结构优选地形成为在垂直于纵向延伸部的横截面中渐细。这意味着所述表面结构有利地从压电层叠堆朝向预加载装置逐渐变细。
绝缘层的材料优选地具有大于预加载装置的材料的热膨胀系数。预加载装置特别有利地由钢形成。在操作期间，绝缘层因此优选地比预加载装置膨胀更大的程度，这有利地产生绝缘层外表面和预加载装置内表面之间的扩大的接触表面，因此可能有利地改进热输运。
以示例的方式，通过使用弹性体，例如通过使用硅酮形成绝缘层。
优选地通过使用导热且电绝缘的材料形成绝缘层。为此目的，例如，将导热颗粒嵌入电绝缘弹性体内。
以示例的方式，也可能的是由不导电材料形成绝缘层，并且例如通过在其上与导热颗粒混合来装配导热的三维表面结构。在这种情况下，不导电绝缘层借助于颗粒与压电层叠堆的内部电极的不良接触有利地防止了电火花放电。不导电绝缘层优选地具有比三维表面结构显著更小的层厚度，以便避免热的积聚。
有利地，选取绝缘层的外径与预加载装置的内径的差异使得绝缘层和预加载装置之间的压缩力处于1N到25N的范围内，具体地在3N至20N的范围内，更具体地在5N至10N的范围内。在力的这种范围内，具有周围绝缘层的压电层叠堆和预加载装置的装配优选地可以在不发生力的过量产生的情况下进行，其中力的过量产生将导致压电致动器的单个元件或多个元件的损坏。
由三维表面结构重叠的预加载装置内表面的表面优选地最大是预加载装置内表面的50%，优选地是15%至35%。所述范围在压电致动器在室温下的生产过程期间是特别优选的。这是因为，如果在压电致动器的操作期间发生材料的加热且因此膨胀，则增加了填充程度并且因此增加了重叠表面。有利地为了避免压电致动器的损坏，因此在生产期间选择重叠表面使得有利地避免操作期间的过度填充。
在特别优选的改进中，预加载装置由锯齿形弹簧（zigzagspring）形成，其具有沿纵向延伸部的方向曲折的轮廓。在这种情况下，锯齿形弹簧具体地是围绕压电叠堆和绝缘层的管状锯齿形弹簧。这样的锯齿形弹簧的生产在例如DE102012212264A1中描述，其公开内容被并入本文。如果管状锯齿形弹簧被焊接到基板和顶板，则所述管状锯齿形弹簧有利地容许特别良好的隔离于环境的密封，并且同时容许沿压电叠堆的纵向延伸部良好地预加载压电叠堆。
这里的锯齿形弹簧具有面向压电层叠堆的至少一个第一锯齿峰和背离压电层叠堆的至少一个第二锯齿峰，其中作为预加载装置的锯齿形弹簧的内径由第一锯齿峰限定。
燃料喷射器具有喷射器针和驱动喷射器针的压电致动器。在此压电致动器如上所述的那样形成。
喷射器针在此优选地由压电致动器直接驱动，也就是说其间没有液压伺服设置。
在操作期间有利地将燃料引导到其中的空间设置在燃料喷射器中，优选地在喷射器主体和压电致动器的预加载装置之间。在此特别优选地在低压区域中引导燃料。因此，可行的是使用材料（即燃料）来填充例如位于（由设计决定）喷射器主体和压电致动器之间的空气间隙，并且因此实现可能有助于耗散压电致动器的工作热的有利的热连接。
生产压电致动器使得压电层叠堆首先被具有近似2μm至近似10μm的厚度的薄钝化层覆盖。所述钝化层能够例如用作增粘剂，并且例如由硅酮形成。以此方式被钝化的压电层叠堆随后被置于注塑模具内，优选地两件式注塑模具内，其被设计成使得其预先确定三维表面结构。注塑模具被封闭并且例如用硅酮或绝缘层材料（上文已经描述的）喷涂。借助于注塑模具的特殊成形，三维表面结构被生产在绝缘层外表面上，例如绝缘层的如上文所述的肋状结构或者在垂直于纵向延伸部的横截面中形成的多边形形状。
附图说明
参考附图在下文更加具体地解释了本发明的有利进步，附图中：
图1示出具有由压电致动器驱动的喷射器针的燃料喷射器；
图2示出图1的压电致动器的第一端部区域的透视图，所述压电致动器具有压电层叠堆和绝缘层并且也具有周围的预加载装置；
图3示出图2的带有绝缘层的压电层叠堆的第一实施例；
图4示出图2的带有绝缘层的压电层叠堆的第二实施例；
图5示出图2的带有绝缘层的压电层叠堆的第三实施例；
图6示出带有六边形横截面形状的穿过垂直于图1的压电致动器的纵向延伸部的绝缘层的横截面示意图；
图7示出带有八边形横截面形状的穿过垂直于图1的压电致动器的纵向延伸部的绝缘层的横截面示意图；
图8示出带有五边形横截面形状的穿过垂直于图1的压电致动器的纵向延伸部的绝缘层的横截面示意图；
图9示出带有星形横截面形状的穿过垂直于图1的压电致动器的纵向延伸部的绝缘层的横截面示意图；
图10示出从图1的压电致动器前方看去的主视图，其中在右侧区域中已移除预加载装置；
图11示出根据现有技术的燃料喷射器的部分区域；以及
图12示出根据现有技术的用于预加载压电致动器的管弹簧。
具体实施方式
图1示出具有由压电致动器30驱动的喷射器针28的燃料喷射器10。压电致动器30装纳在燃料喷射器10的喷射器主体12中并且延伸成具有通过喷射器主体12的纵向延伸部32。孔34平行于压电致动器30设置在喷射器主体12中，燃料36通过该孔被引导到喷射器针28以便在喷射器针28打开期间被喷射到内燃发动机的燃烧室（未示出）内。
压电致动器30的内部具有压电层叠堆14，其中多个压电活性层一个在另一个上地与内部电极层以交替方式堆叠。如果经由内部电极层将电压施加到压电层叠堆14，则压电层的膨胀改变，这导致压电致动器30的长度沿其纵向延伸部32的变化。这导致被或者液压传送或者直接传送到喷射器针28并打开后者使得经由孔34供应的燃料36能够喷射到内燃发动机的燃烧室内的冲程。
压电致动器30的长度的变化导致在压电致动器30处产生工作热，该工作热必须从压电致动器30去除。在当前市场上销售的燃料喷射器10的情况中，如例如在柴油共轨技术的情况下所使用的那样，在不需要特殊措施的情况下能够实现从喷射器主体12（也就是说，致动器外壳）上的压电层叠堆14上去除热，原因在于每个操作循环期间的喷射次数相对小并且在每个操作循环三次喷射的范围内变化。不过，在未来的喷射系统中，将实现每个操作循环高达十次喷射。电损耗也将与此成比例地上升，并且压电致动器30中的温度也将同等程度地升高。为了将压电层叠堆14的表面处的温度保持在最高容许温度，例如170℃之下，因此需要增加沿喷射器主体12的方向的热流的措施。
因此，现在提出图2中所示的技术方案。
图2示出倾斜地看向图1的压电致动器30的端侧的透视图。绝缘层44设置成围绕压电层叠堆14并且相应地由预加载装置46围绕。如图1所示，预加载装置46被设计成锯齿形弹簧48并且管状地围绕压电层叠堆14（绝缘层44围绕该压电层叠堆14）。如能够同样地在图1中看到的那样，锯齿形弹簧48牢固地焊接到顶板26和基板16，其在上方和下方封闭压电层叠堆14。因此，由锯齿形弹簧48实现了可靠的预加载和同时发生的隔离于环境22的密封（与基板16和顶板26一起）。因此，锯齿形弹簧48实现了两个功能，即预加载和密封，并且因此尤其适用于有限构造空间的情况中。因此，图2中所示的压电致动器30也能够以简单的方式用在直列式喷射器构思中，其中压电致动器30被整合在喷射器主体12中，如以示例的方式在图1中所示。在这种设置中可用的构造空间受到极大的限制。
此外，在根据图2的设置中，实现了沿喷射器主体12的方向的高热流，这是因为如能够在图2中看到的那样，绝缘层44的外径54大于预加载装置46的内径56。
绝缘层44的外径54在此由背离压电层叠堆14的绝缘层外表面58限定，并且预加载装置46的内径56由面向压电层叠堆14的预加载装置内表面60限定。
如果预加载装置46由锯齿形弹簧48形成，则锯齿形弹簧48具有面向压电层叠堆14的多个第一波峰62和背离压电层叠堆14的多个第二波峰64。在这种情况下，锯齿形弹簧48的内径56在第一波峰62的区域中由预加载装置内表面60限定。
图2中所示的设置实现了预加载和密封技术方案，其就构造空间而言是最优的，并且确保了沿喷射器主体12的方向的尽可能高的热流。这是因为，首先，借助于锯齿形弹簧48实现了预加载和密封功能的结合，并且其次，通过优化绝缘层44和预加载装置内表面60（也就是说，波纹管的内侧）之间的接触区域K实现了最大热流。
为了促进由绝缘层44围绕的压电层叠堆14到锯齿形弹簧48内的装配，绝缘层44不具有整体大于锯齿形弹簧48的内径56的外径54，而是具有在其绝缘层外表面58上的三维表面结构66。
所述三维表面结构66能够例如由肋状结构68形成，例如如图2中以横截面示出和在图3和图4中以从前方观察的主视图示出的那样。多个纵向肋70，而且例如同样地一个或多个螺旋状肋72能够在此设置在绝缘层44上。提到的三维表面结构66的结合也是可能的。
而且，替代性地或者额外地，绝缘层44也可以形成为在垂直于压电致动器30的纵向延伸部32的横截面中呈多边形74。这以图5中的俯视图示出。图6至图9中示出了绝缘层44的多边形横截面形状的示例。图6示出六边形横截面形状，图7示出八边形横截面形状，图8示出五边形横截面形状并且图9示出星形横截面形状。
因此，通过以一定形状在压电层叠堆14上形成绝缘层44来获得最大热流，其中所述形状使得绝缘层44例如在其表面76上（也就是说，在其圆周上）具有肋状结构68，其外径54大于锯齿形弹簧48的内径56。这具有以下作用：当压电层叠堆14装配到锯齿形弹簧48内时，存在绝缘层44的限定的压缩并且因此在锯齿形弹簧内表面60和关于绝缘层44的接触表面之间存在规定比。
如能够进一步在图2中看到的，三维表面结构66从压电层叠堆14朝向预加载装置46在垂直于纵向延伸部32的横截面中逐渐变细。由此促进压电层叠堆14与绝缘层44和预加载装置46的装配。
三维表面结构66被设置成使得与三维表面结构66重叠的预加载装置内表面60的表面78最大是50%。有利范围位于预加载装置内表面60的15%和35%之间。
外径54与内径56的差异被选择成使得绝缘层44和预加载装置46之间的压缩力80处于1N到25N的范围内，具体地在3N至20N的范围内。这里5N至10N的范围是特别有利的。
借助于重叠的表面78和压缩力80的限定值，首先促进了压电层叠堆14和绝缘层44到预加载装置46的装配，且其次在压电致动器30的操作温度升高的情况下，防止了由于绝缘层44施加到预加载装置46上的过大作用力而导致的压电致动器30的各个元件的损坏。
为了进一步有助于压电层叠堆14和绝缘层到预加载装置46内的装配，有利的是如果预加载装置在第一端部区域82和/或第二端部区域84上具有大于位于端部区域82、84之间的延伸部区域86中的内径的内径56。也就是说，当锯齿形弹簧48在引入压电层叠堆14的侧面上具有扩大的内径56时，能够防止装配期间刮擦绝缘层44。
在锯齿形弹簧48的情况下，也不会发生锯齿峰62、64对绝缘层44的损坏，这是因为如公知的那样，例如在现有技术的穿孔管弹簧24的情况下，锯齿峰不具有任何尖锐边缘。因此，也有利的是如果至少在端部区域82、84中的一个处仅存在圆形边缘88。
图3至图9示出绝缘层44，即上文提到的纵向肋70、一个或多个螺旋状肋72或多边形横截表面74的有利实施例。通过选择注塑模制几何构造也能够影响压缩力的大小。
图10示出压电致动器30的图示，其中在右侧区域中去除锯齿形弹簧48以便因此开放展示带有三维表面结构66的绝缘层44的示图。
绝缘层44在锯齿形弹簧48中的压缩的额外优点在于压电层叠堆14在锯齿形弹簧48中的自动居中。
当构造压缩力80时应当小心注意以确保压缩力80在室温下不超过最大值，因为随着温度升高，相比于通常由钢92制成的锯齿形弹簧48，绝缘层44的材料通常具有的更高热膨胀（例如如果所述材料由硅酮90形成），能够导致锯齿形弹簧48的内部空间的过度填充。不过，另一方面，随着温度升高压缩力的增加是期望的，这是因为最大可能热输运将因此增加。压电层叠堆14的温度的增加的梯度因而随着温度升高而减小。
为了更进一步改善压电致动器30与喷射器主体12的热耦合（thermalcoupling），图1中示出的燃料喷射器10具有在锯齿形弹簧48和喷射器主体12之间的空间94，在操作期间该空间94由低压范围中的燃料36填充。用于绝缘层44（通常是硅酮弹性体）具有低热传导性，并且取决于燃料喷射器10的设计，绝缘的压电层叠堆14和喷射器主体12之间也存在至少两个空气间隙，并且因此这导致不利的热连接。例如，当使用多次喷射策略时（也处于高旋转速度和负载下），由于不能够实现沿喷射器主体12的方向的足够热流，因此这导致绝缘层44的材料中的不容许的高温。然而，如果用燃料36填充锯齿形弹簧48和喷射器主体12之间的空间94，则不会出现在操作期间可能以非常不利的方式影响热输运的空气间隙。
总而言之，设置是基于管弹簧24的密封和预加载功能的结合，该管弹簧24被形成为锯齿形弹簧48并且压电层叠堆14被插入该弹簧内，其绝缘层44具有相对于锯齿形弹簧48的限定的压缩力80。从压电层叠堆14的表面到锯齿形弹簧48的热流因此增加，因此，即使在每个操作循环期间进行很多次喷射的情况下，也能够避免绝缘层44和压电层叠堆14中的不容许的高温。同时，压电层叠堆14容易地居中在锯齿形弹簧48中。
附图标记
10燃料喷射器
12喷射器主体
14压电层叠堆
16基板
18膜
20孔（压电层叠堆）
22环境
24管弹簧
26顶板
28喷射器针
30压电致动器
32纵向延伸部
34孔（燃料）
36燃料
44绝缘层
46预加载装置
48锯齿形弹簧
54外径
56内径
58绝缘层外表面
60预加载装置内表面
62第一锯齿峰
64第二锯齿峰
66三维表面结构
68肋状结构
70纵向肋
72螺旋状肋
74多边形
76表面
78重叠表面
80压缩力
82第一端部区域
84第二端部区域
86延伸部区域
88圆形边缘
90硅酮
92钢
94空间
P箭头
K接触区域