专利名称：用于冷却包括压电元件的燃料喷射器的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料喷射器，更具体地，涉及一种用于冷却包括压电元件的燃料 喷射器的设备和方法。
背景技术：
一些发动机利用燃料喷射系统将燃料引入到发动机的燃烧室中。燃料喷射系统 可以是多种类型的燃料系统中的任意一种，并且在系统中可以包括多个燃料喷射器。在控 制燃料流动的各种阀中，燃料喷射器可以包括用于控制阀组件的操作的至少一个压电致动 器。此外，燃料喷射器可以包括帮助提高燃料喷射系统中的燃料压力的压电致动器。压电致动器通常包括能够例如通过响应于施加的电势而变长来改变结构的压电 元件。在操作中，压电元件相对快速地变长和变短，以控制例如控制阀或活塞的位置。压电 元件的相对快速的反复致动易于产生相对大量的热，当所述相对大量的热与由发动机产生 的热相结合时，会导致压电元件和相关联的部件的温度高于希望水平。在一些例子中，在不 设置用于冷却发动机系统部件、特别是燃料喷射器部件的机构的情况下，燃料系统和相关 联的发动机的操作可能不是最佳的或者甚至是效率低下的。Abe等人的美国专利No. 4553059 (‘059专利)涉及一种用于压电致动器的冷却系 统。‘059专利公开了一种包括壳体的压电致动器，其中，压电元件设置在壳体中。压电元件 设置在机壳中并且机壳容纳导热油。冷却流体通过围绕机壳的空间循环。冷却液体吸收来 自压电元件的热量。虽然‘059专利提供了一种用于在燃料喷射器中使用的压电致动器的冷却系统， 但其公开的系统具有多个缺点。例如，供给和排出冷却流体所需的流体连接件相对复杂。 此外，压电致动器的组装和适当的定位在发动机环境中可能是笨重的。另外，由于油与压电 元件接触，即，油与形成压电元件的单独的盘状物接触，因此压电元件的操作可能是受阻和 /或效率低下的。导热油也可能泄漏到燃料喷射器的其它区域中，由此污染燃料喷射器，潜 在地损害其中的各种零部件，并且潜在地与容纳在燃料喷射器中的燃料混合。根据本发明的用于冷却包括压电元件的燃料喷射器的设备和方法旨在对现有技 术进行改进。
发明内容
在一方面，本发明涉及一种燃料喷射器，包括喷嘴部分；电致动的阀组件，其能 够控制燃料向所述喷嘴部分的流动，所述电致动的阀组件包括压电元件和偏置构件；壳体， 所述电致动的阀组件的至少一部分设置在所述壳体中，所述壳体在所述压电元件和所述壳 体之间限定了腔室；和导热材料，其至少部分地设置在所述腔室内，所述导热材料能够将热 量从所述压电元件传输到所述壳体。在另一方面，本发明涉及一种用于从电致动的阀组件的压电元件传输热量的方 法，所述方法包括以下步骤提供一种燃料喷射器，所述燃料喷射器包括壳体和电致动的阀组件，所述电致动的阀组件具有压电元件和偏置构件；将所述电致动的阀组件的至少一部 分定位在所述壳体内，以在所述压电元件和所述壳体之间限定腔室；并且在所述壳体内至 少部分地填充导热材料，所述导热材料能够将热量从所述压电元件传输到所述壳体。在又一方面，本发明涉及一种机器，包括发动机，其能够产生动力输出并且包括 至少一个燃烧室；和燃料喷射器，其能够将燃料喷射到所述至少一个燃料室中，所述燃料喷 射器包括喷嘴部分；电致动的阀组件，其能够控制燃料向所述喷嘴部分的流动，所述电致 动的阀组件包括压电元件和偏置构件；壳体，所述电致动的阀组件的至少一部分设置在所 述壳体中，所述壳体在所述压电元件和所述壳体之间限定了腔室；和导热材料，其至少部分 地设置在所述腔室内，所述导热材料能够将热量从所述压电元件传输到所述壳体。
图1是包括燃料喷射系统的发动机的示意图，其中，燃料喷射系统包括多个燃料 喷射器，每个燃料喷射器具有至少一个压电致动器；和图2是图1的燃料喷射器的一部分的剖视图，进一步示出了燃料喷射器的压电致动器。
具体实施例方式图1示意性地示出了具有燃料喷射系统12的发动机10。发动机10包括发动机 机体14，发动机机体14限定多个气缸16、可滑动地设置在每个气缸16中的活塞18和与每 个气缸16相联的气缸盖20。气缸16、活塞18和气缸盖20形成燃烧室22。燃料喷射系统 12包括相互协作以将燃料输送到燃料喷射器M的部件，燃料喷射器M又将燃料输送到每 个燃烧室22中。具体来说，燃料喷射系统12包括供给箱沈、燃料泵观、具有单向阀32的 燃料管线30，以及歧管或燃料轨道34。自燃料轨道34，燃料通过燃料管线36供给到每个燃 料喷射器对。如图所示，每个燃料喷射器M包括燃料喷射器喷嘴部分25和一个或多个压 电致动的阀组件38。每个压电致动的阀组件38可以包括相关联的压电元件40，用于控制 阀元件42以控制燃料向燃料喷射器喷嘴部分25的流动以将燃料喷射到燃烧室22中。阀 组件38的压电元件40可以随着元件40在致动或供能状态和去致动或去能状态之间循环 时产生热量。在一种实施方式中，发动机10可以是直喷式压燃柴油发动机，但是，在其它实施 方式中，发动机10可以是火花点燃式发动机、进气道燃油喷射发动机或各种其它发动机结 构中的任意一种。燃料喷射器M可以彼此相同，并且因此这里对单个燃料喷射器M或单个 相关联部件的引用应当被理解为类似地适用于其它燃料喷射器M的相应部件和操作。如 这里进一步说明的，发动机10包括用于燃料喷射器M的部件的冷却策略，由此热量可以从 相应的阀组件38耗散。参照图2，在一种实施方式中，压电致动的阀组件38包括压电致动器39，压电致动 器39具有压电元件40，压电元件40流体密封在外壳或壳体46中并且能够经由至少一个 电连接器44与相关联的发动机系统的电气系统(未示出)相连。电连接器44可以经由阀 组件38的盖48接近。外壳46可以与燃料喷射器主体50相联接并且由其流体密封。外壳 46可以包括流体密封在外壳46中并且与燃料喷射器M的其它部件流体隔离的多个内部部
5件。压电致动器39可以包括诸如压电圆盘堆叠的压电元件40和与压电元件40热接触的 导热材料52。在一种示例性的实施方式中，导热材料52不与形成压电元件40的压电圆盘 直接接触，而是替代地导热材料52与保护压电元件40不受导热材料52污染的屏障或壁58 直接接触，以下将进一步描述。压电元件40可以至少部分地定位在预加载的弹簧或偏置元 件M中，预加载的弹簧或偏置元件M也流体密封在外壳46中。预加载的弹簧M可以以 本领域技术人员熟知的方式在压电元件40上施加预加载力，例如压缩力，以实现期望的操 作。阀组件38还可以限定从压电元件40到外壳46的热传输通道60。导热材料52基 本上可以围绕压电元件40并且经由屏障58与压电元件40热接触。导热材料52可以形成 为诸如导热硅凝胶的热传输材料，包括在大约25°C时导热系数值为约0. Iff/mK的各种专用 和/或商业上可以获得的材料。用于导热材料52的示例性材料可以包括由Dow Corning 制造的硅凝胶产品(Dow Corning是Dow Corning Corporation的注册商标)。腔室56可 以部分地由屏障58和外壳46限定。在一种实施方式中，导热材料52定位在腔室56内。腔 室56可以经由屏障或壁58与压电元件40流体分离。屏障58可以是用于压电元件40的 壳体或外壳，以保护形成压电元件40的各个压电圆盘。腔室56例如可以通过喷射导热材 料52到其中而填充或基本上填充有导热材料52。在一种实施方式中，导热材料52最初形 成为被倾倒入腔室56内的液体，之后，导热材料52固化和/或凝固成凝胶或半固态，例如 具有类似于橡胶组分的状态。当腔室56填充有导热材料52时，阀组件38至少基本上可以 是无空气的，由此改进其部件之间的热传输。热传输通道60可以从屏障58或压电元件40 通过导热材料52延伸到外壳46。此外，热传输通道60也可以包括弹簧M的部分，其也可 以用于将热量从压电元件40传导至外壳46。虽然示出为大致垂直于外壳46，热传输通道 60可以从屏障58沿着任何方向朝着外壳46延伸。导热材料52通常与弹簧M和压电元件 40热接触，并且导热材料52的至少一部分通常可以在弹簧M和屏障58之间。在一种实施方式中，每个外壳46的一部分从每个气缸盖20延伸，例如，当安装在 气缸盖20中时阀组件38可以被定位成使得外壳46从气缸盖20向上延伸。这允许外壳46 的至少一部分，例如外壳46的外部的40%或更多暴露于由气缸盖20和阀罩(未示出)限 定的空间。这能够增强冷却效率，因为外壳46可以将热量辐射到由阀罩和气缸盖20限定 的空间内，并且/或者外壳46上的甩油片也可以从其传导热。继续参照图2，外壳46、导热材料52、屏障58和可选的弹簧M共同限定热传输组 件62。导热材料52提供了便利且有效的方式来吸附和耗散在外壳46中产生的过多的热 量，例如由相关联的压电元件40和由燃料喷射器M内靠近阀组件38的燃料产生的热量， 由此有效地冷却与阀组件38相关联的燃料喷射器24。导热材料52通过从处于相对高温的 第一物体(例如压电元件40)向处于相对低温并且具有大得多的热容量的第二物体(例如 外壳46)高效地传输例如热量的热能而工作。热能的传输使得压电元件40与外壳46热平 衡，由此降低压电元件40的温度并且有效地冷却与压电元件40相关联的燃料喷射器M。 外壳46又将热量耗散到周围环境空气和/或发动机10的其它部件(图1)。导热材料52的稠度使得其不干扰弹簧M的操作。此外，屏障58防止导热材料52 阻碍压电元件40的致动并且防止由于压电元件40的材料和导热材料52相互作用而产生 的潜在的损害。导热材料52还为阀组件38提供缓冲作用，使得导热材料52对在燃料喷射器M的操作过程中阀组件38所经受的任何振动进行缓冲。此外，导热材料52由于材料的 半固态或凝胶状稠度而不易泄漏到燃料喷射器的其它部分。工业实用性本发明的用于冷却燃料喷射器的设备和方法可以应用于利用诸如在许多类型的 燃料喷射器中使用的致动器的压电致动器的任何发动机。 在操作中并且参照图1和2，发动机10起动并且燃料泵观可以接收来自燃料箱沈 的燃料并且随后在相对高压下将燃料供给到轨道34。每个燃料喷射器M与轨道34相连， 并且可以以传统方式从轨道接收高压燃料。阀组件38可以用于选择性地打开相应的燃料 喷射器M的喷嘴出口，以将燃料喷射到相应的气缸16中。如上所述，与每个阀组件38相 关联的致动器39的操作可以产生热量。导热材料52可以提供有效的冷却机构，以从与燃料喷射器M相关联的压电元件 40吸取热量。然后，通过导热材料52经屏障58吸收的热量可以传输到外壳46，之后热量 可以传输到周围空气或发动机10的其它部件。导热材料52可以由导热系数值比形成压电 元件40的材料的导热系数值大的材料形成，以便从压电元件40吸收热量，由此降低压电元 件40的温度并且冷却相关联的燃料喷射器M。本领域技术人员可以理解，可以对本发明的冷却设备和方法进行各种修改和改 变，而不脱离本发明的范围。通过考虑这里公开的实施方式的说明和实践，本领域技术人员 可以想到冷却设备和方法的其它实施方式。例如，虽然本说明书主要描述了冷却压电致动 器，但其并不限于此。在其它实施方式中，根据本发明的教导可以对螺线管致动器或其它电 气或甚至机械致动器成功地进行冷却。此外，虽然共轨系统常常用在这里设想到的发动机 中，本发明关于这一点也并不限于此。与多个燃料喷射器中的每个相关联的单体泵，例如凸 轮致动的泵也可以得以使用，并且这里描述的冷却设备和方法可以用于冷却与凸轮致动的 燃料喷射器相关联的电致动器。本说明书和例子仅仅被认为是示例性的，并且本发明的真 实范围由权利要求书及其等效来指明。
权利要求
1.一种燃料喷射器，包括 喷嘴部分；电致动的阀组件，其能够控制燃料向所述喷嘴部分的流动，所述电致动的阀组件包括 压电元件和偏置构件；壳体，所述电致动的阀组件的至少一部分设置在所述壳体中，所述壳体在所述压电元 件和所述壳体之间限定腔室；和导热材料，其至少部分地设置在所述腔室内，所述导热材料能够将热量从所述压电元 件传输到所述壳体。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述偏置构件至少部分地设置在所述腔室内。
3.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述电致动的阀组件还包括压电元件外 壳，所述压电元件设置在所述压电元件外壳中并且所述偏置构件设置在所述压电元件外壳 外侧。
4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中，所述腔室限定在所述压电元件外壳和所 述壳体之间。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其中，所述偏置构件至少部分地设置在所述导 热材料中。
6.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述导热材料由具有第一导热系数值的 第一材料形成，并且所述压电元件由具有第二导热系数值的第二材料形成，所述第一导热 系数值大于所述第二导热系数值。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述偏置构件至少部分地设置在所述导 热材料中。
8.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述导热材料对所述燃料喷射器所经受 的振动力进行缓冲。
9.一种用于从电致动的阀组件的压电元件传输热量的方法，所述方法包括以下步骤 提供一种燃料喷射器，所述燃料喷射器包括壳体和电致动的阀组件，所述电致动的阀组件具有压电元件和偏置构件；将所述电致动的阀组件的至少一部分定位在所述壳体内，以在所述压电元件和所述壳 体之间限定腔室；并且在所述壳体内至少部分地填充导热材料，所述导热材料能够将热量从所述压电元件传 输到所述壳体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述导热材料还能够对所述电致动的阀组件所 经受的振动进行缓冲。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述偏置构件至少部分地定位在所述腔室 中的步骤。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述偏置构件至少部分地定位在所述导热 材料中的步骤。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电致动的阀组件包括压电元件外壳，并且 所述方法还包括将所述压电元件定位在所述压电元件外壳中并且将所述偏置构件定位在所述压电元件外壳外侧的步骤，其中，所述腔室限定在所述压电元件外壳和所述壳体之间。
14.一种机器，包括发动机，其能够产生动力输出并且包括至少一个燃烧室；和燃料喷射器，其能够将燃料喷射到所述至少一个燃料室中，所述燃料喷射器包括喷嘴部分；电致动的阀组件，其能够控制燃料向所述喷嘴部分的流动， 所述电致动的阀组件包括压电元件和偏置构件； 壳体，所述电致动的阀组件的至少一部分设置在所述壳体 中，所述壳体在所述压电元件和所述壳体之间限定腔室；和 导热材料，其至少部分地设置在所述腔室内，所述导热材 料能够将热量从所述压电元件传输到所述壳体。
15.根据权利要求14所述的机器，其中，所述偏置构件至少部分地设置在所述腔室内。
16.根据权利要求14所述的机器，其中，所述电致动的阀构件还包括压电元件外壳， 所述压电元件设置在所述压电元件外壳中，并且所述偏置构件设置在所述压电元件外壳外 侧。
17.根据权利要求16所述的机器，其中，所述腔室限定在所述压电元件外壳和所述壳 体之间。
18.根据权利要求17所述的机器，其中，所述偏置构件至少部分地设置在所述导热材 料中。
19.根据权利要求14所述的机器，其中，所述导热材料由硅凝胶材料形成。
20.根据权利要求14所述的机器，其中，所述偏置构件至少部分地设置在所述导热材 料中。
全文摘要
一种燃料喷射器，包括喷嘴部分和电致动的阀组件，所述电致动的阀组件能够控制燃料向喷嘴部分的流动。电致动的阀组件可以包括压电元件和偏置构件。燃料喷射器还可以包括壳体，电致动的阀组件的至少一部分设置在所述壳体中。壳体可以在所述压电元件和壳体之间限定腔室。导热材料可以至少部分地设置在腔室内并且能够将热量从压电元件传输到壳体。
文档编号F02M61/16GK102084119SQ200980125663
公开日2011年6月1日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年7月3日
发明者A·M·赫斯, J·文卡塔拉哈万, S·R·莱维斯 申请人:卡特彼勒公司