与压电燃料喷射器一起使用的预加载弹簧的制作方法
【专利摘要】本发明提供压电燃料喷射器弹簧组件及用于组装这样的压电燃料喷射器弹簧组件的组装方法。所述组件具有压电元件（204）、第一弹簧（212）以及第二弹簧（210）。第一弹簧（212）通过使第二弹簧（210）伸展而偏置第二弹簧（210），并且第二弹簧（210）在压电元件（204）膨胀时进一步伸展。针对组装，在将第二弹簧的第二端连接到压电元件的第二端之前通过外部压缩力压缩第一弹簧，并且在连接后，释放外部力，使得在第一和第二弹簧之间能够建立弹簧力平衡。
【专利说明】
与压电燃料喷射器一起使用的预加载弹簧
技术领域
[0001]本发明总体上涉及利用压电元件的燃料喷射器，并且更具体地涉及进一步利用弹簧的压电燃料喷射器。
【背景技术】
[0002]大多数现代内燃发动机利用燃料喷射系统以通过在高压下强制栗送燃料穿过小的喷嘴来将雾化的燃料递送到发动机。这些燃料喷射系统常常比先前使用的化油器更加精确且有效。在这些系统中使用的典型燃料喷射器通常利用液压地、电磁地、或压电地致动的喷射器销。
[0003]压电元件是在电压被施加到元件时改变尺寸的材料。在移除电压时，压电元件返回到其原始尺寸。当用作致动器时，许多压电元件被堆叠在一起以形成更大的压电元件或者“压电堆叠”以提高致动器的位移。在压电致动的燃料喷射器中，这些压电元件或压电堆叠中的一个或多个被用来致动燃料喷射器销，以用于计量到内燃发动机中的燃料。各种弹簧状结构常常与这些装置结合使用以施加回程力并因此促进燃料喷射器销在不再致动压电堆叠之后返回到其“静止”位置。
[0004]当在燃料喷射器中利用压电堆叠时出现的一个问题是:压电堆叠的有效运作需要在组装含有堆叠的喷射器的相关部分期间建立足够的预加载力。针对可行的封装要求，为施加回程力所需要的预加载力通常高于由标准螺旋弹簧所能提供的力并且因此是不足的。因此，利用压电堆叠的典型燃料喷射器常常利用管状弹簧以提供回程力。管状弹簧基本上是筒形管，其具有狭缝和/或凹槽的样式以提供增加的轴向柔性。使用管状弹簧结构的示例布置能够在归属于西门子威迪欧汽车电子的欧洲专利EP1548854A1中发现。
[0005]利用管状弹簧提供回程力的一个问题是:管状弹簧常常相当僵硬(S卩，它们具有高的弹簧刚度)并且因此要求使用显著精确的组装过程以提供在可接受的公差范围内的预加载力。
[0006]当前用于试图提供能够支持充足的预加载力的弹簧的其他选择包括利用螺纹环结构，然而，这样的结构通过对压电堆叠添加不需要的扭矩而使燃料喷射过程变得复杂。其他复杂的设备也能够被设计成保持上述管状弹簧以促进特定且更精确的拉伸，然而，这些设备可能成本高、可能具有精细的生产要求并且可能添加额外的复杂的部件到燃料喷射器。
[0007]仍保留轻微运动的压配合套筒有时也被用于上述目的，然而，这些结构均具有上述设备的非期望的复杂性。最后，有时利用碟形弹簧，然而，这能够导致非期望的封装布置以及施加到碟形弹簧的高应力，该高应力能够损坏这些弹簧并且因此缩短燃料喷射器的使用寿命。
[0008]因此需要有效的方法和装置以适应用于在燃料喷射器中利用的压电堆叠的足够的预加载力。
【发明内容】
[0009]本文中描述了用于有效地适应用于在燃料喷射器内利用的压电堆叠的足够预加载力的方法和装置。并入了本发明的特征的方法能够包括适应足够的预加载力，例如，在燃料喷射器部分的组装期间，通过使用多个弹簧将压电元件布置在喷射器主体内，所述多个弹簧包括布置成彼此结合的至少两种不同类型的弹簧。预加载力能够施加到压电元件，从而压缩第一类型的弹簧，同时允许第二类型的弹簧保持在其自由长度。压电元件然后能够进一步被包围在主体部分内和/或第二类型的弹簧被附接在适当位置，从而使弹簧能够提供必要的预加载力。该方法和其他方法在下面进一步更详细地陈述。
[0010]并入了本发明的特征的装置能够包括压电元件和多个弹簧，所述多个弹簧能够是至少两种不同类型的弹簧，其布置成彼此结合以向压电元件提供足够的预加载力。在一些实施例中，多个弹簧包括一个或多个管状弹簧，其被构造成与一个或多个碟形弹簧串联。
[0011]基于下述【具体实施方式】，本发明的这些和其他进一步的特征和优点将对本领域的技术人员显而易见，结合附图，如下所述。
【附图说明】
[0012]图1是燃料喷射器的剖视图，其示出能够应用根据本发明的装置和方法的示例环境；
图2是并入了本发明的特征的自由无载的压电元件构造的剖视图；
图3是图2的压电元件构造的剖视图，示出了正在施加预加载力且压电元件处于受压状态；
图4是图2的压电元件构造的剖视图，示出了预加载的压电组件；以及图5是图4的预加载的压电组件的透视图。
【具体实施方式】
[0013]并入了本发明的特征的用于在燃料喷射器中使用的压电元件封装能够包括压电元件和多个弹簧，该多个弹簧包括至少两种不同类型的弹簧，其被布置成彼此结合以向压电元件提供足够的预加载力。在一些实施例中，多个弹簧包括一个或多个管状弹簧，其被构造成与一个或多个蝶形弹簧串联。
[0014]压电元件能够是单个压电元件或者能够是彼此结合布置以形成一个或多个压电堆叠的多个压电元件。压电元件的形状能够基于电流的递送而改变。压电元件能够被构造成与喷射器销连通以便响应于激活的压电元件的运动被传递到销，以使销响应于压电元件的致动在期望方向上运动。当不再向压电元件施加电流时，压电元件和销返回到“静止”位置。能够利用各种结构(诸如使用一个或多个弹簧)来与压电元件结合，以施加回程力并且促进压电元件返回到“静止”位置。
[0015]多个弹簧能够包括在多个内的弹簧的各种构造和布置并且能够包括至少两种不同类型的弹簧。这些不同类型的弹簧能够被构造成彼此结合，使得封装能够被布置成带有可接受的预加载力，并且在多个内的弹簧能够在弹簧寿命周期或者封装的完整性内适应该预加载力。
[0016]在一些实施例中，多个弹簧包括一个或多个管状弹簧和一个或多个蝶形弹簧。在一些实施例中，管状弹簧和蝶形弹簧彼此串联布置。将管状弹簧和蝶形弹簧彼此串联布置的一个优势在于能够在没有对弹簧施加大量应力的预加载力的情况下提供充足的回程力。通过将管状弹簧和蝶形弹簧串联布置，缓和了弹簧类型的各个缺陷中的大部分，例如，管状弹簧的高弹簧刚度通过多个蝶形弹簧部件被减轻并且施加到蝶形弹簧的应力通过管状弹簧部件被减轻。在其他实施例中，管状弹簧和蝶形弹簧能够彼此平行地布置。然而，平行布置可能会增加刚性并且因此减少上述的益处。
[0017]在组装压电喷射器封装的管状弹簧/蝶形弹簧的实施例中，压电元件与管状弹簧和蝶形弹簧结合布置，使得对压电元件施加预加载压缩力，从而在管状弹簧保持在其自由(未压缩)长度的同时压缩蝶形弹簧。在压电元件被喷射器主体结构围绕(除了施加压缩力的敞开区域)的情况下，能直接将压缩力施加到压电元件。在一些实施例中，代替存在喷射主体的敞开区域(在该区域中，向压电元件直接施加压缩力)，存在喷射器主体的“可运动部分”，其随着压缩力运动并且压缩压电元件。应理解的是，该喷射器主体的可运动部分能够布置成在主体内行进，例如，利用狭缝和凹槽滑动系统，以及弯曲、挠曲或者以其他方式改变其形状以便随压缩力运动并且压缩压电元件。
[0018]蝶形弹簧能够被夹在压电元件与端帽和/或周围的喷射器主体的一部分之间，使得在向压电元件施加压缩力时，压电元件按压抵靠在蝶形弹簧及端帽上，从而压缩碟形弹簧。一旦蝶形弹簧已经达到期望的压缩，例如，提供与期望预加载力相等的回程力，封装能够进一步被密封，例如，在如上述那样的带有敞开区域的实施例中，通过将额外的端帽部分附接到将其完全包围的封装上，从而维持当前的压缩水平。在带有可运动部分的实施例中，如上所述，能够通过将可运动部分附接于期望位置、从而防止可运动部分的进一步运动来维持当前的压缩水平。本文中所提及的各种“附接”步骤能够利用本领域中已知的将物体附接于适当位置的任何永久或暂时方法(例如，焊接和利用各种粘结剂)执行。然后能够将自由长度的管状弹簧固定在适当位置。
[0019]在一些实施例中，一旦已经获得压电元件和对应的碟形弹簧的期望的预加载压缩，就通过将额外的端帽部分附接到管状弹簧本身、或者将喷射器主体结构的可运动部分(在那些实施例中)附接到管状弹簧本身来维持预加载力。来自先前压缩的碟形弹簧的所得后推力推压抵靠压电元件和端帽部分(或可运动部分)，从而拉伸管状弹簧并将其固定在期望的预加载位置。
[0020]贯穿本公开，本文中的优选实施例和所示出的示例作为例子被提供，而不是作为对本公开的范围的限制被提供。如在本文中使用的，术语“发明”、“方法”、“本方法”或者“本发明”指的是并入了本文中所描述的本发明的特征的实施例中的任一个及任何等同物。而且，贯穿本文件对“发明”、“方法”、“本方法”或者“本发明”的各种特征(一个或复数个)的参考不意味着所有要求保护的实施例或方法必须包含所参考的特征(一个或复数个)。
[0021]还应理解的是，当元件或特征被指示为在另一个元件或特征“上”或“邻近”另一个元件或特征时，可以是直接在其他元件或特征上或直接邻近其他元件或特征，或者也可以存在中间元件或特征。另外，相对术语，诸如“外部”、“上方”、“下部”、“下方”及类似术语可在本文中用于描述一个特征与另一个特征的关系。应理解的是，这些术语旨在涵盖除图中所描绘的取向之外的不同取向。
[0022]尽管术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元件或部件，但是这些元件或部件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件或部件与另一个元件或部件。因此，下面所讨论的第一元件或部件可被称为第二元件或部件而不脱离本发明的教导。如在本文中使用的，术语“和/或”包括相关列表物件中的一个或多个的任何组合及全部组合。
[0023]在本文中使用的术语仅用于描述具体实施例的目的并且不意欲限制本发明。如在本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”均意欲还包括复数形式，除非上下文中以其他方式清楚指出。例如，当本说明书指示“一个”换能器时，应理解的是该语言涵盖单个换能器或者多个换能器或换能器阵列。还将理解的是当术语“包括”、“包括着”、“包含”和/或“含有”在本文中使用时，具体说明存在所陈述的特征、整型、步骤、操作、元件，和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整型、步骤、操作、元件、部件，和/或其组群。
[0024]在本文中参考不同视图和图示(其是本发明的理想实施例的示意图)描述了本发明的实施例。照此，可预期例如由于制造技术和/或公差引起的图示的形状的变型。本发明的实施例不应被理解为受限于本文中所示区域的具体形状，而是还包括例如由制造所带来的形状的偏差。在下文中进一步更详细地讨论利用这样的方法的实施例，例如，在图2-图4的进展期间。
[0025]根据本公开的实施例能够与各种燃料喷射系统一起利用，所述燃料喷射系统包括利用处于被加热和/或超临界状态的燃料的喷射系统，其示例在下述专利文件(包括其附图、图解、图表及相关书面描述)中陈述:1^8，402，951;美国专利号8，176，900;美国专利号8，116，963;美国专利号8，079，348;美国专利号7，992，545;美国专利号7，966，990;美国专利号7，945，375;美国专利号7，762，236;美国专利号7，743，754;美国专利号7，657，363;美国专利号7，546，826;以及美国专利号7，444，230。这些文件的全部内容通过引用并入本文中。
[0026]在更加详细地解释并入了本发明的特征的方法和装置之前，将有用的是陈述能够利用这样的方法和装置的示例环境。图1示出燃料喷射器100的示例，其包括燃料喷射器主体102和燃料喷射器销104，该燃料喷射器销104与压电元件106连通。当致动压电元件106时，该压电元件106膨胀，从而导致推压燃料喷射器销104向前，并且因此通过燃料喷射器开口 108将燃料喷射到发动机中。这样的示例燃料喷射器环境的进一步细节在于2010年6月16日提交的并于2011年8月9日公布的授予Frick等的美国专利号7，992，545中陈述，该专利的全部内容通过引用并入本文中。
[0027]图1的燃料喷射器100的一部分(在其中，根据本发明的预加载压电封装能够被利用)通过虚线框110被限定，虚线框110涵盖了燃料喷射器主体102的一部分和压电元件106。并入了本发明的特征的、通过虚线框110限定的图1的燃料喷射器100的该部分的放大视图在图2中示出。
[0028]图2示出压电燃料喷射器封装200，其包括压电元件204、第一端帽206、第二端帽208、管状弹簧210、一个或多个蝶形弹簧212(其被构造成与管状弹簧210串联)、燃料喷射器销214以及弹簧保持器218，管状弹簧210在第一连接点219处连接到该弹簧保持器218。弹簧保持器218能够是第一端帽206的集成部分或者能够是被构造成将管状弹簧210保持在期望位置中的单独结构。压电燃料喷射器封装200能够代替整个燃料喷射器的对应部分，诸如上面在图1中通过虚线框110表示的部分，或者压电燃料喷射器封装200能够集成到或者被容纳在对应部分中。
[0029]在组装压电燃料喷射器封装200期间，压电元件204被布置成使得其邻近于和/或邻接抵靠第一端帽206。第一端帽206通常被构造有燃料喷射器销214，使得当压电元件204被致动时，燃料喷射器销发生位移。燃料喷射器销不必如所示那样连接到第一端帽206，并且能够被构造成许多不同的布置，其使得压电元件204的力和/或运动能够传递到燃料喷射器销214。第一端帽206能够是连接到燃料喷射器销的单独结构或者能够是燃料喷射器销214本身的顶部分或者帽部分。
[0030]管状弹簧210能够是单独结构，或者能够是环绕喷射器主体本身的集成部分，例如，通过形成喷射器主体使得其包括必要的狭缝、凹槽和/或波纹部分以产生弹簧结构。蝶形弹簧212能够包括蝶形垫圈或者任何适当的锥形盘弹簧。在所示出的实施例中，管状弹簧210在第一连接点219处附接到弹簧保持器218。通过使管状弹簧210的仅仅单个端附接到第一端帽206，管状弹簧210能够在组装过程的大部分期间维持其自由(未被压缩的/未被拉伸的)长度。
[0031]图2-图4示出并入了本发明的特征的渐进式预加载方法。如在图2中所示，蝶形弹簧212还未被压缩。如在图3中所示，其中，相同的结构通过相同的参考特征表示，在组装压电燃料喷射器封装200的期间，对端帽208施加力220。该力能够通过中间元件(例如，如上所述的可运动的第二端帽208部分)传输。
[0032]所施加的力220压缩压电元件204，将压电元件204推压抵靠于第一端帽206并且因此压缩蝶形弹簧212到平坦位置(未示出)中，从而减小在第一端帽206和弹簧保持器218之间的空间。管状弹簧210(被布置成与蝶形弹簧212串联)在预加载过程期间维持其自由长度。如上面所提及的，管状弹簧常常具有高的弹簧刚度并且要求精确的组装过程。通过使管状弹簧能够在预加载设置过程期间维持其自由长度并且不经历显著应力，能够减轻对管状弹簧的损害并且简化了整个过程。
[0033]尽管示出了两个蝶形弹簧212，也能够利用单个或者各种多个堆叠的蝶形弹簧212。管状弹簧210和蝶形弹簧212还能够以各种不同的方式串联或并列地被布置，例如，一个或多个蝶形弹簧能够被布置成靠近封装200的顶表面221并且因此被布置成在一个或多个管状弹簧210上。
[0034]在蝶形弹簧已经足够地被压缩之后，例如，通过施加期望力值，能够维持预加载值。为了维持封装力值，能够将第二端帽208固定在适当位置，并且因此在压电元件204上维持预加载力值。管状弹簧210的邻近端在第二连接点222处被附接到第二端帽208。通过借助本领域中已知的各种附接方法(例如，钎焊和焊接)将第二端帽208固定至压电元件204和/或管状弹簧210，能够按照需要使第二端帽208不能运动或者少运动。
[0035]图4示出燃料喷射器封装300的预加载方式。如在图4中所示，蝶形弹簧212已经返回到稍微减压的位置，从而向上推压在压电元件204上并且拉伸管状弹簧210并将其固定在期望预加载位置中。管状弹簧被示出为在第一和第二连接点219、222处附接到端帽。图5示出图4中的预加载燃料喷射器封装300的透视图，其中，管状弹簧210附接到第一和第二端帽302、304。
[0036]尽管已参考本发明的某些优选构造详细描述了本发明，但是其他方式也是可行的。本发明的实施例能够包括在各种图中所示的兼容性特征的任何组合，并且这些实施例不应受限于那些明确示出和讨论的特征。因此，本发明的精神和范围不应受限于上述方式。
[0037]上述内容旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改和替代方案，其中，如果未在权利要求中陈述，则本公开的任何部分均不意在、明确地或暗示地、贡献于公共领域。
【主权项】
1.一种压电燃料喷射器弹簧组件，其包括: 至少一个压电元件(204)； 至少一个第一弹簧(212);以及 至少一个第二弹簧(210); 其中，所述至少一个第一弹簧(212)通过使所述至少一个第二弹簧(210)伸展而偏置所述至少一个第二弹簧(210);并且 所述至少一个第二弹簧(210)在所述压电元件(204)膨胀时进一步伸展。2.根据权利要求1所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述至少一个压电元件(204)的第一端以力传输方式直接或间接地连接至所述至少一个第二弹簧(210)的第一端，并且所述至少一个压电元件(204)的第二端以力传输方式直接或间接地连接至所述至少一个第二弹簧(210)的第二端。3.根据权利要求2所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述至少一个压电元件(204)的第一端通过第一端帽(206)以力传输方式间接地连接至所述至少一个第二弹簧(210)的所述第一端，并且所述至少一个压电元件(204)的所述第二端通过第二端帽(208)以力传输方式间接地连接至所述至少一个第二弹簧(210)的所述第二端。4.根据权利要求1所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述至少一个第二弹簧(210)与所述至少一个第一弹簧(212)相比是不同种类的弹簧。5.根据权利要求1所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述至少一个第二弹簧(210)是管状弹簧，并且所述至少一个压电元件(204)被容纳在所述管状弹簧内。6.根据权利要求1所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述至少一个第一弹簧(212)是蝶形弹簧。7.根据权利要求3所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述至少一个第一弹簧(212)是夹在所述第一端帽(206)和可运动元件之间的蝶形弹簧，所述可运动元件以力传输方式与所述至少一个压电元件(204)的所述第一端连接。8.根据权利要求7所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，在所述至少一个压电元件(204)膨胀时，所述可运动元件压缩所述至少一个第一弹簧(212)，使得力经由所述至少一个第一弹簧(212)和所述第一端帽(206)传输到所述至少一个第二弹簧(210)的所述第一端中，所述传输的力使所述至少一个第二弹簧(210)伸展。9.根据权利要求8所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，在所述至少一个压电元件(204)膨胀时，所述至少一个第一弹簧(212)被压缩至达到其完全平坦构造的点。10.根据权利要求1所述的压电燃料喷射器弹簧组件，其中，所述压电元件(204)的所述第一端直接或间接地连接至燃料喷射器销(214)，使得在所述压电元件(204)膨胀时，所述压电元件(204)移动所述燃料喷射器销(214)。11.一种用于组装压电燃料喷射器弹簧组件的组装方法，所述压电燃料喷射器弹簧组件包括具有第一和第二端的至少一个压电元件(204)、至少一个第一弹簧(212)、以及具有第一和第二端的至少一个第二弹簧(210)，所述组装方法包括下述步骤: -将所述压电元件(204)的所述第一端以力传输方式经由所述至少一个第一弹簧(212)连接至所述至少一个第二弹簧(210)的所述第一端； -通过对所述至少一个第一弹簧(212)施加外部压缩力，压缩所述至少一个第一弹簧(212)； -将所述压电元件(204)的所述第二端以力传输方式直接或间接地连接至所述至少一个第二弹簧(210)的所述第二端；以及 -完全释放作用在所述至少一个第一弹簧(212)上的所述外部压缩力，以便部分地释放所述第一弹簧(212)，同时使所述至少一个第二弹簧(210)伸展到所述至少一个第一弹簧(212)和所述至少一个第二弹簧(210)的弹簧力达到平衡的点。12.根据权利要求11所述的组装方法，其包括:通过在将所述压电元件(204)的所述第二端以力传输方式连接至所述至少一个第二弹簧(210)的所述第二端之前，推压所述压电元件(204)的所述第二端抵靠所述至少一个第一弹簧(212)，来对所述至少一个第一弹簧(212)施加所述压缩力。
【文档编号】F02M61/16GK106062350SQ201580007573
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】S.格拉夫斯
【申请人】艾克莫特公司