用于燃料喷射的压电喷射器的制作方法

DE 10 2013 219 225 A1已经公开了用于直接燃料喷射的压电喷射器，该压电喷射器在压电致动器与喷嘴针之间具有液压联接器单元。液压联接器具有联接器活塞、联接器筒和联接器弹簧，其中，联接器活塞借助于联接器弹簧按压成抵靠喷嘴针的面朝联接器活塞的正面（face side）。

在所述类型的压电喷射器的情况中，借助于联接器活塞与联接器筒之间的配对间隙（pairing clearance）来确保联接器体积的填充与压力均衡。配对间隙构造成尽可能小，以便联接器在高达5ms的致动时间期间保持针行程近似恒定。然而，在这样小的配对间隙的情况中，联接器体积与周围燃料体积之间的压力均衡花费一定长度的时间，根据到下一喷射过程之前的持续时间，这导致影响联接器关于传递行程的功能。因此，情况可能会是，不能足够快速地填充联接器筒与联接器活塞之间的联接器体积。

在某种程度上，已经寻求通过在联接器活塞或联接器筒中形成带有止回阀的孔而在喷射过程之后实现联接器体积的更快填充。然而，这是麻烦的。此外，这可导致与阀处的不期望的共振有关的问题。

本发明的目标是具体说明压电喷射器，即使在多次喷射的情况下，该压电喷射器也是可靠且同时坚固的。

该目标通过专利权利要求1的主题来实现。本发明的有利的实施例和改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的一个方面，具体说明用于燃料喷射的压电喷射器，该压电喷射器包括具有可移动地布置在喷嘴主体中的喷嘴针的喷嘴单元、压电致动器单元和用于将喷嘴单元联接到致动器单元的液压联接单元。液压联接单元具有联接器活塞、联接器筒和联接器弹簧。

联接器活塞具有面朝联接器筒的顶侧和面朝喷嘴针的底侧。尤其，联接器筒朝喷嘴针开口，优选使得联接器活塞被暴露。在从喷嘴针转移开的那侧处，联接器筒尤其具有基部。“联接器活塞的顶侧面朝联接器筒”的陈述尤其指的是，顶侧面朝联接器筒的基部。尤其，联接器体积被形成在联接器筒的基部与联接器活塞的顶侧之间。

借助于联接器弹簧，联接器活塞被推动成抵靠喷嘴针的面朝联接器活塞的底侧的正面，并且联接器活塞与喷嘴针具有接触区域。联接器活塞具有通道开口，该通道开口提供从所述联接器活塞的底侧到所述联接器活塞的顶侧的流动连接部，并且该通道开口布置在与喷嘴针的接触区域内。

在适宜的改进方案中，通道开口从底侧处的嘴部通过联接器活塞延伸到底侧处的嘴部。这里，“通道开口布置在与喷嘴针的接触区域内”的陈述尤其指的是，在正面的平面视图中，通道开口的布置在顶侧处的嘴部完全叠覆喷嘴针。尤其，喷嘴针的正面和联接器活塞的底侧设计并布置成使得通道开口的布置在底侧处的嘴部可借助于喷嘴针的正面封闭。

在适宜的改进方案中，压电致动器单元机械地连接（尤其刚性地连接）到联接器筒，使得压电致动器单元的长度的变化导致联接器筒沿纵向轴线移位。借助于联接器体积中容纳的流体，轴向力于是可传递到联接器活塞，该力由所述联接器活塞借助于其形式配合接触作为致动力被传递至阀针，以便使阀针从关闭位置朝着打开位置移动。

相应地，在该压电喷射器的情况中，当喷嘴针从联接器活塞的底侧被提离并因此打开通道开口时，通过联接器活塞中的通道开口填充联接器体积成为可能。通常，这是喷射结束之后的情况，其中，考虑到活塞上的加压表面，补偿器弹簧设计成足够弱，使得在喷射结束之后活塞与喷嘴针之间的具有低的力的状态起作用。由于对于喷射的持续时间已经发生了燃料从联接器体积的泄漏，因此联接器活塞与联接器筒之间的轴向间距——尤其联接器活塞的顶侧与联接器筒的基部之间的间距——减小，使得喷嘴针与联接器活塞之间形成轴向空隙。这里，表述“轴向”尤其涉及联接器筒、联接器活塞和喷嘴针的共同的纵向轴线。因此，针已经从联接器活塞被提离。可进行燃料到联接器体积中的入流。

因此，在喷射结束之后，进行了联接器体积中的快速压力均衡。相应地，液压联接器单元的功能不再取决于喷射之间的时间间隔，而是可非常迅速地再次被使用。此外，联接器活塞中的通道开口改进了初始组装之后或者在更换喷射器之后的维护情况下联接器体积填充的容易性。尤其，液压联接器单元被布置在喷嘴主体上，并且可借助于通过喷嘴主体流动到燃料出口的燃料来填充联接器体积。

小的配对间隙允许在高达5ms的致动时间期间的恒定的针行程，尽管是小的配对间隙，然而因此联接器体积中的压力均衡可快速地进行。在当前的上下文中，“配对间隙”将被理解成尤其指的是侧向的配对间隙——尤其联接器筒的环绕侧壁与联接器活塞的外表面之间的配对间隙。

联接器活塞与喷嘴针的接触区域在这里以及下文将被理解为指的是由喷嘴针所接触的联接器活塞的表面上的区域，尤其联接器活塞的面朝喷嘴针的底侧上的区域。根据联接器活塞和喷嘴针的几何形状，接触也可沿着线实现，尤其沿着环状线实现，使得密封边缘形成在联接器活塞与喷嘴针之间。然后，接触区域将被理解成指的是联接器活塞的由所述线包围的那个表面。

通常，联接器活塞中的通道开口可由喷嘴针充分密封。因此，通道开口与喷嘴针一起形成阀，当由于燃料从联接器体积的泄漏而使喷射结束时联接器活塞与喷嘴针之间留有空隙时，所述阀打开。

对于联接器活塞与喷嘴针的正面的几何形状的设计，存在许多种可能性。尤其，接触区域与喷嘴针的正面可以具有平面、凸状或凹状形式。这些不同类型的设计以及尤其其组合影响燃料的入流性能。尤其，借助于活塞与喷嘴针之间的密封边缘的直径，可以使可用于压力均衡的径向流动区域变得更大或更小，而与通道开口自身的直径无关。此外可能的是，借助于喷嘴针与活塞之间的接触区域的适合的设计，允许两个部件相对于彼此的居中和/或角度补偿。

平面形式的接触区域与喷嘴针的平面形式的正面具有生产过程特别简单的优点。凹状形式的接触区域与凸状形式的正面一起，或者相反地凸状形式的接触区域结合凹状形式的正面，具有实现联接器活塞与喷嘴针的居中的优点。

正面和/或接触区域尤其可具有球形或圆锥形形式。

喷嘴针尤其具有向外开口的设计。出于该目的，喷嘴针的针座可被形成为圆锥形壳表面，在喷嘴主体中，该圆锥形壳表面可被推动成抵靠中空的圆锥形表面，使得实现密封功能。

在一个实施例中，在液压联接器单元中，具有在从0.01mm到0.7mm的范围中的厚度的燃料膜被布置在联接器筒与联接器体积之间。尤其，燃料膜构成联接器体积。燃料膜尤其被布置在联接器活塞的顶侧与联接器筒的基部之间。燃料膜的厚度被选成尽可能地小，使得液压联接器具有最高可能的刚度。层的最小厚度由所需的组装容差以及温度变化情况下由于压电致动器与喷射器主体的材料（尤其是钢）之间的热膨胀系数不同而产生的压电致动器与喷射器主体之间的长度变化的差来决定。

在一个实施例中，联接器筒与联接器活塞之间的配对间隙（尤其侧向配对间隙）达到最多10μm，尤其最多2μm。通过这样的小配对间隙，确保了液压联接器单元在高达5ms的致动时间期间保持针行程近似恒定。

参考示意性附图，将在以下更加详细地讨论本发明的实施例。

图1示出通过根据本发明的第一实施例的压电喷射器的纵向截面；

图2示出通过根据本发明的第二实施例的压电喷射器的纵向截面；

图3示出通过根据本发明的第三实施例的压电喷射器的纵向截面；

图4示出通过根据本发明的第四实施例的压电喷射器的纵向截面；

图5示出根据本发明的第五实施例的压电喷射器的细节；

图6示出根据本发明的第六实施例的压电喷射器的细节；

图7示出根据本发明的第七实施例的压电喷射器的细节；

图8示出根据本发明的第八实施例的压电喷射器的细节；

图9示出根据本发明的第九实施例的压电喷射器的细节；

图10示出根据本发明的第十实施例的压电喷射器的细节；

图11示出根据本发明的第十一实施例的压电喷射器的细节；

图12示出根据本发明的第十二实施例的压电喷射器的细节；以及

图13示出根据本发明的第十三实施例的压电喷射器的细节。

根据图1，在所示的实施例中，压电喷射器1设计成用于将燃料直接喷射到内燃发动机中。所述压电喷射器具有燃料入口2和燃料出口4。在压电喷射器1的关闭状态下，燃料出口4借助于喷嘴针5封闭。为了喷射，喷嘴针5向外打开，并因此打开燃料出口4。

喷嘴针5是喷嘴单元3的一部分，并且可在喷嘴主体7中沿压电喷射器的纵向轴线移动。

喷嘴针5的致动借助于压电致动器单元9执行，压电致动器单元9以已知的方式利用由压电陶瓷盘组成的叠堆的长度的变化：通过施加电压，达到使压电陶瓷盘叠堆长度膨胀的目的，这导致联接器筒15沿联接器活塞13的方向移位。

从致动器单元9到喷嘴针5的力传递借助于液压联接器单元11执行。联接器单元11包括联接器活塞13，联接器活塞13安装在联接器筒15中，以便可沿着压电喷射器1的纵向轴线移动。借助于联接器弹簧17，联接器活塞13被推动成抵靠喷嘴针5的面朝联接器活塞13的正面23。通过这样的方式，确保从压电致动器单元9经由液压联接器单元11到喷嘴针5的实际无游隙的力传递：燃料体积——联接器体积——布置在联接器活塞13与联接器筒15之间，如果由于联接器筒15移动而使该燃料体积移位，则由于非常小的间隙，因此该燃料体积不会逸出。因此，联接器活塞13跟随联接器筒15的移动，并将喷嘴针5从其密封座推出。

由于为了致动喷嘴针5必须克服喷嘴弹簧力、密封座直径上的压力与联接器弹簧力的合力，因此随后联接器体积中的压力不再等于喷射器中的压力，而是超过了喷射器中的压力。因此，尤其在相对长的致动持续时间的情况下，可能会发生流体从联接器体积泄漏到周围的喷射器体积中，使得联接器活塞13将沿联接器体积的方向下沉。喷嘴针5将跟随该移动。可借助于联接器活塞13与联接器筒13之间的尽可能小的密封空隙来减少流体泄漏和下沉移动。

在喷射结束时，压电致动器单元9放电，并且压电陶瓷盘的叠堆再次缩短到其初始长度。联接器筒15跟随此移动。通过小密封空隙隔离的联接器体积不能变得更大，使得联接器活塞13跟随联接器筒15的移动。

由于喷嘴针5的顶侧不再被致动力作用，因此喷嘴针5同样跟随向后的移动，并回到其密封座。

由于如以上描述的对于喷射的持续时间已经发生了来自联接器体积的泄漏，因此已经减小了联接器活塞13与联接器筒15之间的轴向间距。因此，没有再次实现喷嘴针5与联接器活塞13彼此接触的初始状况。更确切地说，在所述两个部件之间留有轴向空隙。如以下描述的，所述空隙与通过联接器活塞13的通道开口一起被利用，用于再填充联接器体积。否则再填充将仅可能通过密封空隙，然而，出于以上陈述的原因，密封空隙被设计成尽可能地小。因此，在联接器体积再次再填充到使联接器活塞13与喷嘴针5彼此再次接触这样的程度之前，将会流失相当大段长度的时间。

在图1的右手半边中详细地示出了联接器活塞13与喷嘴针15之间的接触区域。联接器活塞13与喷嘴针5具有接触区域21，该接触区域21构成底侧28的部分区域，并且在所示实施例中是平面的。喷嘴针5的正面23同样是平面的。呈通道孔形式的通道开口25被形成到联接器活塞13中，该通道开口从所述联接器活塞的与喷嘴针5接触的底侧28处的嘴部通过联接器活塞13延伸到所述联接器活塞的顶侧26处的嘴部，并且该通道开口提供用于燃料从所述联接器活塞的底侧28到所述联接器活塞的顶侧26的流动连接部。呈燃料膜形式的联接器体积布置在联接器活塞13的顶侧26与联接器筒15的底侧（即基部）之间。当喷嘴针5已经从接触区域21被提离时，燃料可通过通道开口25流动到联接器体积中并填充联接器体积，由此确保联接器体积与压电喷射器内剩余的燃料体积之间的压力均衡。

在操作期间，借助于由致动器单元9致动的喷嘴针5，压电喷射器向外打开用于燃料喷射。这里，从致动器单元9到喷嘴针5的力传递借助于液压联接器单元11执行。出于该目的，具有0.05mm与0.3mm之间厚度的薄燃料层被置于联接器活塞13的顶侧26与联接器筒15之间。

借助于燃料层，力从作用在联接器筒15上的致动器单元9液压地传递至联接器活塞13。所述联接器活塞借助于其接触区域21到喷嘴针5的正面23的形式配合连接将传递给它的力继续传递到喷嘴针5。

如果喷嘴针5上由致动器单元9提供的力超过由喷嘴弹簧19提供的关闭力，则喷嘴针5向下移动，并且压电喷射器1向外打开。燃料通过燃料出口4流动到外侧。在该打开阶段期间，由于由连接器筒15施加的力，因此联接器体积中的压力增加。

在压电喷射器随后的关闭阶段中，由致动器单元9提供的力减小至零。喷嘴弹簧19将喷嘴针5向上推回到其关闭位置中。由于联接器弹簧17设计成足够弱，因此在喷射结束之后联接器筒15与联接器活塞13之间存在空隙。联接器活塞13已从喷嘴针5被提离。从而通道开口25被打开，并且燃料可从压电喷射器1内的燃料体积流动到联接器筒15与联接器活塞13之间的联接器体积中。

当联接器体积被再次填充时，空隙关闭，并且由于由联接器弹簧17施加的力，联接器活塞13再次被按压成抵靠喷嘴针5的正面23，并且通道开口25由喷嘴针5封闭。

图2示出了根据图1的压电喷射器1的第二实施例。该实施例与图1中所示的第一实施例的不同在于，喷嘴针5的正面23具有凸状形式。

在该实施例中，仅在绕通道开口25的环形区域中，凸状正面23与联接器活塞13之间通过其平面底侧28存在接触。在该实施例中，喷嘴针5相对于通道开口25的一定的居中动作是可能的。

图3示意性地示出了根据本发明的第三实施例的压电喷射器1。该实施例与图1和图2中所示的实施例的不同在于：喷嘴针5的正面23具有球形凸状形式，并且联接器活塞13的接触区域21是凹状圆锥形的。这里，正面23的曲率半径小于接触区域21的曲率半径。两个区域都具有球形或圆锥形形式也将是可能的。径向填充空隙可借助于接触直径的变化来设置。

利用该实施例，实现了喷嘴针5相对于通道开口25、并因此还相对于联接器活塞13的良好的居中。

图4示出了根据本发明的第四实施例的压电喷射器1。该实施例与先前附图中所示的实施例的不同在于：联接器活塞13的接触区域21是凹状的，并且喷嘴针5的正面23是平面的。在该实施例中，喷嘴针5仅在联接器活塞13的边缘处的圆形区域中与联接器活塞13接触。在该实施例中，存在可用于压力均衡的相对大的径向流动区域。

图5示意性地示出了根据本发明的第五实施例的压电喷射器1的细节。在该实施例中，联接器活塞13的接触区域21具有平面形式，而喷嘴针5的正面23是凸状的，特别是呈突出到通道开口25中的圆锥尖端的形式。在该实施例中，实现了喷嘴针5的居中。

图6示出了根据本发明的第六实施例的压电喷射器1的细节。在该实施例中，联接器活塞13的接触区域21具有平面形式，而喷嘴针的正面23是凹状的，特别是呈中空圆锥形式。具有球形形式也是可能的。在该实施例中，尽管没有实现喷嘴针5的居中，然而实现了相对大的径向流动区域。

图7示出了根据本发明的第七实施例的压电喷射器1的细节。在该实施例中，与图1中所示的状况相似，联接器活塞13的接触区域21和喷嘴针5的正面23两者具有平面形式。然而，与根据图1的第一实施例对照的是，提供了喷嘴针5相对于联接器活塞13的居中，特别是以联接器活塞13中的凹部27的形式，该凹部由喷嘴针5进入。

图8至10示出了根据本发明的第八、第九和第十实施例的压电喷射器1的细节，在根据本发明的第八、第九和第十实施例的各实施例中，联接器活塞13的接触区域21具有凹状形式，特别是呈中空圆锥形式。

在根据图8的第八实施例中，喷嘴针5的正面23同时具有凸状形式，特别是呈圆锥形状，其开口角度正好适于接触区域21的中空圆锥的开口角度，使得实现良好的居中。

在根据图9的第九实施例中，正面23具有凹状形式，特别是呈中空圆锥形式。然而，其也可以具有球形形式。

在根据图10的第十实施例中，喷嘴针5的正面23具有平面形式。

图11至13示出了根据本发明的第十一、第十二和第十三实施例的压电喷射器1的细节，在根据本发明的第十一、第十二和第十三实施例的的各实施例中，联接器活塞23的接触区域21具有凸状形式，特别是呈圆锥形式。接触区域21也可具有球形形式。

在根据图11的第十一实施例中，喷嘴针5的正面23具有凸状形式，特别是球形形式。其还可具有圆锥形形式。

在根据图12的第十二实施例中，喷嘴针5的正面23具有凹状形式，特别是呈中空圆锥形式。其也可以以中空圆锥的方式被形成。

在根据图13的第十三实施例中，喷嘴针的正面23具有平面形式。

因此，各单独的实施例的不同仅在于联接器活塞13的接触区域21与喷嘴针5的正面23的几何形状。可用于压力均衡的径向流动区域可以利用不同的几何形状来适应需求。此外，根据需求，可使喷嘴针和联接器活塞相对于彼此的居中和/或角度补偿成为可能。