專利名稱：用于壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及壓電致動(dòng)器，更具體地，涉及一種用于壓電致動(dòng) 的燃料噴射器的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器。
背景技術(shù)：
燃料噴射系統(tǒng)通常利用多個(gè)燃料噴射器將高壓燃料噴射輸送到 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)用于燃燒。每個(gè)燃料噴射器通常包括具有加壓室的噴嘴組 件，該加壓室能夠容納加壓燃料的體積。在噴射過(guò)程中，大量加壓 燃料通過(guò)噴嘴組件中的孔排出。通常，噴射器還包括針閥元件，該 針閥元件可滑動(dòng)地設(shè)置在加壓室中?？梢酝ㄟ^(guò)彈簧將針閥元件朝向 閉合位置偏壓，在該閉合位置，孔被阻擋。為了噴射燃料，針閥元 件被選擇性地運(yùn)動(dòng)以便不阻擋孔，由此允許高壓燃料從加壓室通過(guò) 孔流入到發(fā)動(dòng)機(jī)中。
針閥元件的選擇性運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)控制閥和控制室來(lái)控制?？刂?室可以選擇性地填充和排出加壓燃料。當(dāng)控制室被充滿加壓燃料時(shí)，
位置，由此閉合噴射器。為了打開(kāi)噴射器，壓電致動(dòng)器可以使控制 閥運(yùn)動(dòng)并且將控制室內(nèi)的加壓燃料釋放到排出口 。控制室的降壓導(dǎo) 致對(duì)針閥元件的偏壓改變，并因此驅(qū)使針閥元件運(yùn)動(dòng)到非阻擋位置。 壓電致動(dòng)器通常包括壓電堆，該壓電堆具有通過(guò)用作電極的導(dǎo)電層 隔開(kāi)的多個(gè)壓電材料層。當(dāng)跨過(guò)導(dǎo)電層施加電勢(shì)時(shí)，壓電堆沿著縱 向擴(kuò)張?？v向擴(kuò)張?zhí)峁┝耸箍刂崎y運(yùn)動(dòng)且使控制室降壓所需的動(dòng)作。 雖然該結(jié)構(gòu)對(duì)于啟動(dòng)燃料噴射可能是有效的，但壓電堆是脆性的且 如果超載可能破裂。
噴射器制造商們所采用的使壓電堆與損傷力隔離的 一種方法公
4開(kāi)在授予Oakley等人的美國(guó)專利No. 7145282( '282專利)中。'282 專利描述了一種用于內(nèi)燃機(jī)的燃料噴射器，該燃料噴射器包括具有 被隔離在殼體內(nèi)的壓電堆的壓電致動(dòng)器。該殼體是剛性的且被設(shè)計(jì) 用于吸收切變應(yīng)力。此外，該殼體能夠在壓電堆上設(shè)置預(yù)加載荷， 這可以通過(guò)(即使當(dāng)張力作用在致動(dòng)器上時(shí))保持壓電堆處于壓縮 狀態(tài)來(lái)保護(hù)壓電堆。
雖然'282專利的壓電致動(dòng)器可以受到保護(hù)而不受切變應(yīng)力和張 力的影響，但其仍然沒(méi)有被充分隔離。例如，壓電致動(dòng)器可以迅速 擴(kuò)張以打開(kāi)閥，并且在充分打開(kāi)閥之后，致動(dòng)器可能碰觸硬質(zhì)止動(dòng) 件。即，致動(dòng)器可能過(guò)擴(kuò)張并且在閥到達(dá)充分打開(kāi)位置時(shí)與剛性的 止動(dòng)件碰撞。每次在壓電堆碰觸硬質(zhì)止動(dòng)件時(shí)，在其中就會(huì)形成顯 微裂紋，并且在反復(fù)地碰觸硬質(zhì)止動(dòng)件之后，裝置會(huì)由于疲勞而失 效〇

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的燃料噴射器涉及上述的 一 種或多種缺陷和/或本領(lǐng)域中 的其它缺陷。
在一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種燃料噴射器。該燃料噴射器可 包括沿著燃料噴射器的中心軸線大致對(duì)準(zhǔn)的殼體。燃料噴射器也可 包括用于控制燃料流通過(guò)燃料噴射器的控制閥。燃料噴射器也可包 括設(shè)置在殼體內(nèi)且與控制閥相關(guān)聯(lián)的壓電元件。燃料噴射器還可包 括設(shè)置在控制閥和壓電元件之間的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器，該運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器能夠 影響震動(dòng)以減少壓電元件中的顯微裂紋。
在另一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種燃料噴射器。該燃料噴射器 可包括沿著燃料噴射器的中心軸線大致對(duì)準(zhǔn)的殼體和設(shè)置在殼體內(nèi) 并且能夠沿著中心軸線擴(kuò)張第 一距離的壓電元件。燃料噴射器還可 包括能夠運(yùn)動(dòng)第二距離并且影響燃料流通過(guò)燃料噴射器的控制元 件，第二距離不等于第一距離。燃料噴射器還可包括活塞，該活塞 可滑動(dòng)地設(shè)置在壓電元件和控制元件之間并且能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)從壓電堆
5傳遞到控制元件。
在又一個(gè)方面中，本發(fā)明涉及一種噴射燃料的方法。該噴射燃 料的方法可包括對(duì)燃料加壓、向壓電元件選擇性地供以能量以使其 移動(dòng)第一距離并且減小壓電元件中的震動(dòng)。另外，該方法可包括使 活塞移動(dòng)第二距離，以噴射加壓燃料流，第二距離值小于第一距離 值。


圖1是一種示例性公開(kāi)的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖2是用于圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性的燃料噴射器的示意圖3是用于圖2中的燃料噴射器的示例性的壓電致動(dòng)器的示意
圖4是用于圖2中的燃料噴射器的示例性的雙臂運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器的 示意圖；以及
圖5是用于圖2中的燃料噴射器的示例性的四臂運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器的
示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了一種示例性的動(dòng)力系統(tǒng)100。該示例性的動(dòng)力系統(tǒng) 100可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)101和燃料噴射系統(tǒng)102。發(fā)動(dòng)機(jī)101能夠產(chǎn)生 轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并且可以用于向機(jī)器(未示出)提供動(dòng)力。機(jī)器可以是固 定機(jī)器或者可以是移動(dòng)機(jī)器，其執(zhí)行與例如采礦、建筑、農(nóng)用、發(fā) 電、運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)或者本領(lǐng)域中已知的任何其它產(chǎn)業(yè)相關(guān)的一些類型 的操作。例如，機(jī)器可以具體化為運(yùn)土機(jī)，例如越野搬運(yùn)卡車、輪 式裝載機(jī)、平地機(jī)或任何其它執(zhí)行操作的機(jī)器。
如圖1中的實(shí)施方式所示，發(fā)動(dòng)機(jī)101可以是四沖程柴油內(nèi)燃 機(jī)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，發(fā)動(dòng)機(jī)101可以具體化為 任何其它類型的內(nèi)燃機(jī)，例如汽油機(jī)或氣體燃料發(fā)動(dòng)4幾。發(fā)動(dòng)機(jī)101 可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體103，該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體103限定多個(gè)氣缸104?；钊?06可滑動(dòng)地設(shè)置在每個(gè)氣缸104內(nèi)，并且每個(gè)氣缸104可以 與氣缸蓋108相關(guān)聯(lián)。
氣缸104、活塞106和氣缸蓋108可以形成燃燒室110。在圖1 中所示的實(shí)施方式中，發(fā)動(dòng)機(jī)101包括六個(gè)燃燒室110。但是，可以 設(shè)想，發(fā)動(dòng)機(jī)101可以包括更多或更少數(shù)量的燃燒室110并且燃燒 室110可以設(shè)置成"直列式"結(jié)構(gòu)或"v型"結(jié)構(gòu)或者本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以想至ij的任何其它結(jié)構(gòu)。
同樣如圖1所示，發(fā)動(dòng)才幾101可以包括曲軸112,該曲軸112可 轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體103中。連桿116可以將每個(gè)活塞106 連接到曲軸112,使得活塞106在每個(gè)各自的氣缸104中的一種或多 種滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以引起曲軸112轉(zhuǎn)動(dòng)。類似地，曲軸112的轉(zhuǎn)動(dòng)可以 引起活塞106的一種或多種滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
燃料噴射系統(tǒng)102可以包括相互協(xié)作以將加壓燃料噴射輸送到 各個(gè)燃燒室110中的部件。具體地，燃料噴射系統(tǒng)102可以包括能 夠保持燃料供應(yīng)的燃料箱124和能夠加壓燃料并且將加壓燃料經(jīng)由 噴射歧管134引導(dǎo)至多個(gè)燃料噴射器132的泵送機(jī)構(gòu)160。
燃料泵送機(jī)構(gòu)160可以包括一個(gè)或多個(gè)泵送裝置，所述泵送裝 置用于增加燃料壓力并且將加壓燃料流引導(dǎo)至噴射歧管134。在一個(gè) 例子中，燃料泵送機(jī)構(gòu)160包括串聯(lián)設(shè)置并且經(jīng)由燃料管路162流 體連接的低壓泵126和高壓泵136。低壓泵126可以是能夠向高壓泵 136提供低壓供給的傳送泵。高壓泵136可以經(jīng)由燃料管路130連接 到噴射歧管134。單向閥128可以設(shè)置在燃料管路130中，以提供從 燃料泵送機(jī)構(gòu)160到噴射歧管134的單向加壓燃料流。
低壓泵126和/或高壓泵136可操作地連接到發(fā)動(dòng)機(jī)101并且由 曲軸112驅(qū)動(dòng)。低壓泵126和/或高壓泵136可以本領(lǐng)域技術(shù)人員可 想到的任何方式連接到曲軸112，此時(shí)，曲軸112的轉(zhuǎn)動(dòng)引起泵驅(qū)動(dòng) 軸146的相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。例如，圖1中的高壓泵136的泵驅(qū)動(dòng)軸146被 示出為通過(guò)齒輪系148連接到曲軸112。但是，可以設(shè)想，低壓泵 126和/或高壓泵136可以替代地以電、液壓、氣動(dòng)或任何其它適當(dāng)?shù)姆绞絕皮驅(qū)動(dòng)。
在每個(gè)氣缸104中可以設(shè)置一個(gè)燃料噴射器132。每個(gè)燃料噴射 器132在預(yù)定正時(shí)、燃料壓力和燃料流速下可操作地將加壓燃料從 噴射歧管134經(jīng)由燃料管路166噴射輸送到相關(guān)聯(lián)的燃燒室110中。 向燃燒室110中噴射燃料的正時(shí)可以與活塞106的運(yùn)動(dòng)同步。例如， 加壓燃料可以在活塞106在壓縮沖程中靠近上死點(diǎn)位置時(shí)噴射以允 許被輸送的燃料壓縮點(diǎn)燃燃燒。替代地，燃料可以在活塞106開(kāi)始 朝向上死點(diǎn)位置的壓縮沖程時(shí)噴射，用于均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火操作。 另外，燃料可以在活塞106在擴(kuò)張沖程過(guò)程中從上死點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)時(shí) 噴射，用于延遲的后期噴射。
如圖2所示，每個(gè)燃料噴射器132可以是閉式噴嘴單元的燃料 噴射器132。具體地，每個(gè)燃料噴射器132可以包括外殼205、噴嘴 290、噴射器組件244和致動(dòng)組件242。致動(dòng)組件242可以由電流供 以能量，并且可以沿縱向致動(dòng)以引起在噴射器組件244內(nèi)的移位改 變。由致動(dòng)組件242引起的移位可以允許加壓燃料流從噴射歧管134 (圖1 )通過(guò)噴嘴290輸送到燃燒室110 (圖1 )中。
外殼205可以是大致圓柱形并且可以圍繞中心軸線201設(shè)置。 外殼205能夠包圍致動(dòng)組件242的各個(gè)部件并且可以與噴射器組件 244聯(lián)接?？梢栽O(shè)想，中心軸線201可以沿縱向延伸通過(guò)外殼205、 噴射器組件244和噴嘴290。
噴嘴290也可以為大致圓柱形構(gòu)件并且可以與噴射器組件244 聯(lián)接。此外，噴嘴290可以具有內(nèi)部噴嘴孔292并且能夠接收針閥 元件278的底端282。底端282可以置于針閥元件支持面294處，并 且當(dāng)其置于該處時(shí)可以基本上阻止燃料流通過(guò)噴射孔口 287。替代 地，當(dāng)?shù)锥?82未置于該處時(shí)，燃料噴射器132可以將加壓燃料流 從噴射器組件244通過(guò)噴射孔口 287輸送到燃燒室110 (圖1)中。
噴射器組件244也可以是大致圓柱形構(gòu)件并且如圖2所示，噴 射器組件244可以具有上部組件238和下部組件239。上部組件238 可以i殳置在下部組件239和致動(dòng)組件242之間。上部組件238和下部組件239可以一起工作以影響加壓燃料從噴射歧管134 (圖1 )向 發(fā)動(dòng)機(jī)101 (圖1 )的燃燒室110 (圖1 )的噴射。
上部組件238可以在燃料入口 212處從噴射歧管134供以燃料。 燃料可以從上部組件238通過(guò)上部燃料供應(yīng)通道235連通到下部組 件239。除了燃料入口 212和上部燃料供應(yīng)通道235之外，上部組件 238也可以包括可滑動(dòng)地設(shè)置在上部孔288中的上部活塞245。上部
中移動(dòng)。
下部組件239可以與噴嘴290聯(lián)接并且可以包括一起工作以通 過(guò)噴嘴290輸送加壓燃料的各種部件。具體地，下部組件239可以 包括控制閥251和針閥元件278?？刂崎y251可以調(diào)節(jié)加壓燃料流以 控制針閥元件278的運(yùn)動(dòng)。
控制閥251可以設(shè)置在下部組件239的控制孔252中。此外， 控制閥251可以包括各種腔和部件以控制針閥元件278的運(yùn)動(dòng)。具 體地，控制閥251可以包括止回上部容積(check top volume ) 285 、 平衡孔口 281和排出通道256。
止回上部容積285可以從下部燃料供應(yīng)通道236通過(guò)平纟釺孔口 281供以燃料。通過(guò)平衡孔口 281供應(yīng)到止回上部容積285中的加壓 燃料可以使針閥元件278的底端282抵靠針閥元件支持面294。另外， 加壓燃料流也可以流過(guò)控制孔口 283并且^f吏控制元件289 4氏靠上部 支座227?？刂圃?89可滑動(dòng)地設(shè)置在內(nèi)部孔229中并且可以通過(guò) 上部活塞245的末端223運(yùn)動(dòng)以控制加壓燃料流流出止回上部容積 285。即，致動(dòng)組件242可以在被供以能量時(shí)引起上部活塞245使控 制元件289運(yùn)動(dòng)離開(kāi)其上部支座227,由此允許加壓燃津牛流從止回上 部容積285流入排出通道256中?？梢?沒(méi)想，平《軒孔口 281可以比 下部燃料供應(yīng)通道236窄，以允許止回上部容積285內(nèi)的壓力瞬間 下降。
針閥元件278可以至少部分地設(shè)置在控制孔252中并且可以與 控制閥251接觸。同樣，針閥元件278也可以至少部分地設(shè)置在中間孔253和下部孔254中。此外，控制孔252和下部孔254可以通 過(guò)中間孔253相連接。
針閥元件278可以是細(xì)長(zhǎng)的圓柱形構(gòu)件，其可滑動(dòng)地設(shè)置在內(nèi) 部孔252、中間孔253、下部孔254和噴嘴290中。針閥元件278可 以在第一位置和第二位置之間沿軸向運(yùn)動(dòng)。在第一位置，針閥元件 278的底端282阻止加壓燃料流流過(guò)噴射孔口 287。在第二位置，噴 射孔口 287可以是打開(kāi)的，以允許加壓燃料流被噴射到燃燒室110 中。
針閥元件278通常可以朝向第一位置偏壓。具體而言，如圖2 所示，每個(gè)燃料噴射器132可以包括設(shè)置在止動(dòng)件284和針閥元件 278的針閥元件支持面294之間的復(fù)位彈簧296,以將底端282朝向 第一位置軸向地偏壓?？梢栽O(shè)想，針閥元件278可以具有多個(gè)驅(qū)動(dòng) 液壓表面。即，針閥元件278可以具有被設(shè)計(jì)成響應(yīng)由加壓燃料施 加的力偏壓針閥元件278的表面。具體地，針閥元件278可以包括 在被加壓燃料作用時(shí)易于朝向第一位置驅(qū)動(dòng)針閥元件278的第一液 壓表面279，和易于克服復(fù)位彈簧296的偏壓并且沿相反的方向朝向 第二位置驅(qū)動(dòng)針閥元件278的第二液壓表面280。第一液壓表面279 和第二液壓表面280可以依賴于止回上部容積285和控制室286之 間的壓力梯度使針閥元件278在第一位置和第二位置之間運(yùn)動(dòng)。
致動(dòng)組件242可以設(shè)置在噴嘴2卯的對(duì)面，并且可以間接地控 制針閥元件278的運(yùn)動(dòng)。致動(dòng)組件242可以包括密封組件207、接合 裝置208和可選的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。密封組件207能夠接收來(lái)自電端 子250的電能并且利用電能產(chǎn)生移位。該移位可以從密封組件207 傳遞至接合裝置208、從接合裝置208傳遞至運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310,并且 從運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310經(jīng)過(guò)間隙206傳遞至上部活塞245。間隙206可以 形成在運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310和上部活塞245之間。間隙206可以為擴(kuò)張， 特別是熱擴(kuò)張?zhí)峁┛臻g。但是，間隙206也可以為在制造公差內(nèi)但 比設(shè)計(jì)的稍大些的部件提供空間。在一種實(shí)施方式中，間隙206可 以是5微米，但可以是在1微米至IO微米之間?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3,致動(dòng)組件242可以包括各種部件，包括密封組件 207、預(yù)載彈簧304、接合裝置208和運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。另外，密封 組件207可以包括內(nèi)部殼體306、第一端帽309、第二端帽313、 一 對(duì)電觸點(diǎn)307和壓電堆302。密封組件207可以通過(guò)預(yù)載彈簧304 預(yù)加載荷。但是可以設(shè)想，如果需要，可以將預(yù)載彈簧304省去， 且向密封組件207預(yù)加載荷的功能可以替代地由內(nèi)部殼體306、第一 端帽309和第二端帽313執(zhí)行。另外，密封組件207可以接觸接合 裝置208并且，類似地，接合裝置208可以接觸運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。
內(nèi)部殼體306可以容納壓電堆302并且可以針對(duì)環(huán)境危害(例 如燃料污染、有形損壞等)提供保護(hù)。內(nèi)部殼體306可以包括端部 324和大致圓柱形的壁部分322。壁部分322可以包括多個(gè)交替的大 直徑和小直徑，它們一起形成波紋管326。在一個(gè)例子中，波紋管 326在組裝時(shí)可以沿著內(nèi)部殼體306延伸與壓電堆或元件302大致相 同的長(zhǎng)度，以適應(yīng)上述擴(kuò)張和收縮。端部324可以與由相同材^F形 成的壁部分322 —體形成，并且從壁部分322朝向中心軸線201向 內(nèi)彎曲。在一個(gè)例子中，端部324可以向內(nèi)彎曲大于90度的角度以 與第一端帽309接合。
壁部分322和端部324可以通過(guò)拉深工藝形成。具體地，金屬 坯料(未示出)，例如鋁坯料，可以被壓抵模子(例如壓入凹形模 子中或壓在凸形模子上)，以形成具有開(kāi)口端和閉合端的大致圓柱 形物體。在圖3中描述的具體例子中，鋁坯料被壓入凹形模子中， 使得端部324彎曲上述適當(dāng)?shù)慕嵌取?一旦形成圓柱形物體，可以穿 過(guò)圓柱形物體的閉合端形成直徑小于壁部分3 22的內(nèi)徑的孔327,使 得僅保留環(huán)形唇緣結(jié)構(gòu)?？?27可以經(jīng)由剪切工藝、絞孔工藝、鏜 孔工藝或者任何其它已知的孔加工工藝形成。可以設(shè)想，根據(jù)需要， 壁部分322和端部324可以替代地由不同于鋁的金屬坯并牛，例如不 銹鋼形成。
波紋管326可以通過(guò)搓絲工藝在壁部分322中形成。具體地， 上述的圓柱形物體可以安裝在機(jī)器內(nèi)，以圍繞其中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或自轉(zhuǎn)。在該轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，具有多個(gè)等間距的脊形突出部的一個(gè)或多個(gè)
模具可以被驅(qū)使到內(nèi)部殼體306的外表面和/或內(nèi)表面中，由此使表 面變形以在內(nèi)部殼體306中形成波紋管326。
第一端帽309可操作地連接到壓電堆302。第一端帽309可以連 接到壓電堆302以將與壓電堆302的擴(kuò)張和收縮相關(guān)聯(lián)的載荷力傳 遞到接合裝置208。為了經(jīng)得住由壓電堆302的擴(kuò)張產(chǎn)生的載荷力和 致動(dòng)組件242中的化學(xué)環(huán)境，第一端帽309例如可以由不銹鋼制成。
為了使燃料泄漏到壓電堆302中并且污染壓電堆302的可能性 最小化，第一端帽309可以與內(nèi)部殼體306密封。具體地，第一端 帽309可以包括內(nèi)部面350、外部面351和連4妾內(nèi)部面350和外部面 351的圓柱形表面352。外部面351和/或圓柱形表面352可以分別通 過(guò)焊4妻、用化學(xué)方法連接到壁部分322和/或端部324,或以其它方 式與壁部分322和/或端部324密封。可以設(shè)想，與單一的密封位置 相比，內(nèi)部殼體306和第一端帽309之間的多處密封位置可以為壓 電堆302提供改進(jìn)的泄漏保護(hù)。
類似于第一端帽309,第二端帽313同樣可以連接到壓電堆302 并且與內(nèi)部殼體306密封。第二端帽313可以連接到壓電堆302的 與第一端帽309相對(duì)的端部，以將與壓電堆302的擴(kuò)張和收縮相關(guān) 聯(lián)的載荷力沿反向傳遞到燃料噴射器132的支撐件(參照?qǐng)D2)。為 了經(jīng)得住由壓電堆302的擴(kuò)張產(chǎn)生的載荷力和致動(dòng)組件242中的化 學(xué)環(huán)境，第二端帽313也可以由不銹鋼制成。第二端帽313的外部 圓柱形外殼353可以被焊接、用化學(xué)方法連接到壁部分322，或以其 它方式與壁部分322密封。
壓電堆302可以包括由一對(duì)電觸點(diǎn)307分開(kāi)的多個(gè)壓電材料層 305。壓電材料層305的橫截面可以是矩形、圓柱形或盤形的，并且 可以由各種晶體、陶瓷或聚合物形成。如在這里所使用的，壓電材 料是指呈現(xiàn)反壓電效應(yīng)的任何材料。即，在暴露于電勢(shì)時(shí)改變形狀 的任何材料。例如，呈現(xiàn)反壓電效應(yīng)的一些材料是鋯鈦酸鉛、鈦酸 鋇、鈮酸鉀、鉭酸鋰和鎢酸鈉。這些材料中最常用于壓電致動(dòng)器的是鋯鈦酸鉛(也被稱作PZT )。
呈現(xiàn)反壓電效應(yīng)的材料可以具有偶極，即，它們可以具有包含 彼此隔離的負(fù)電荷和正電荷的區(qū)域。在一些壓電材料中，例如石英 中，偶極的方向可以是任意的。在其它材料中，例如鋯鈦酸鉛中， 這些偶極可以對(duì)準(zhǔn)。另外，鋯鈦酸鉛中的偶極可以利用被稱作輪詢 的過(guò)程對(duì)準(zhǔn)。輪詢可以利用》茲場(chǎng)驅(qū)使偶極對(duì)準(zhǔn)，輪詢過(guò)程可以增強(qiáng) 反壓電效應(yīng)。
壓電堆302可以利用反壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。即，壓電 堆302在被供應(yīng)能量時(shí)可以擴(kuò)張以使燃料噴射器132中的移位改變。 可以設(shè)想，可以向壓電堆302施加大約160伏的電勢(shì)。但是，該值 可以改變，并且可以在0至500伏之間。
電觸點(diǎn)307可以具體化為正導(dǎo)體和負(fù)導(dǎo)體，其延伸通過(guò)第二端 帽313以將電能引入和引出壓電堆302。電觸點(diǎn)307的一端可以連接 到電端子250上，并且其另 一端可以交互連接到壓電堆302的層305。 當(dāng)向電觸點(diǎn)307施加電壓時(shí)，電場(chǎng)可以在偶才及上施加轉(zhuǎn)矩，由此<吏 層在長(zhǎng)度上延伸。長(zhǎng)度的改變可以與所施加的電壓成比例，并且因 此可以允許對(duì)上部活塞245的精確位置控制?？梢栽O(shè)想，除了所施 加的電壓之外，壓電堆302長(zhǎng)度的改變也可以與層305的數(shù)量成比 例。
例如PZT的壓電材料可以是脆性的并且能夠經(jīng)受相對(duì)小的轉(zhuǎn) 矩、張力和切變應(yīng)力。為了保護(hù)壓電材料不受機(jī)械損壞，使壓電堆 302與這些不期望的力隔離是有益的。所述隔離可以通過(guò)例如為預(yù)載 彈簧304的各種隔離部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。張力彈簧304能夠在壓電堆302 上提供預(yù)加載荷。由預(yù)載彈簧304提供的預(yù)加載荷可以是壓縮載荷 極限的大約百分之二十或者可以是150至1500牛，并且可以防止拉 力損壞一個(gè)或多個(gè)層305。此外，第一端帽309和第二端帽313可以 結(jié)合內(nèi)部殼體306工作，以進(jìn)一步將壓電堆302與不期望的力隔離。 具體地，第一端帽309、第二端帽313、內(nèi)部殼體306和波紋管326 可以一起工作以將壓電堆302與彎曲力和切變應(yīng)力隔離。
13接合裝置208可滑動(dòng)地設(shè)置在致動(dòng)器孔333中，并且可以抵接 第一端帽309和運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。接合裝置208可以與中心軸線201 對(duì)準(zhǔn)，并且能夠?qū)⒂蓧弘姸?02產(chǎn)生的載荷力傳遞到運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器 310。可以設(shè)想，接合裝置208能夠?qū)⒂蓧弘姸?02產(chǎn)生的移位傳遞 到運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。還可以設(shè)想，接合裝置208還可以將壓電堆302 與轉(zhuǎn)矩、張力和切變應(yīng)力進(jìn)一步隔離。
密封件335可以設(shè)置在接合裝置208和致動(dòng)器孔333之間。密 封件335可以是0形環(huán)并且可以阻止燃料進(jìn)入內(nèi)部殼體306。替代 地，可以設(shè)想，可以省略密封件335并且可以將隔膜設(shè)置在密封件 335的位置，以阻止燃料流入內(nèi)部殼體306和壓電堆302。
在圖3所示的實(shí)施方式中，接合裝置208包括與運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310 交接的環(huán)形突出部399。環(huán)形突出部399可以將由壓電堆302產(chǎn)生的 載荷力集中到運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310的變小的區(qū)域。即，環(huán)形突出部399 可以將從壓電堆302傳遞到接合裝置208的載荷力分配到運(yùn)動(dòng)聯(lián)接 器310的外部徑向部分393。環(huán)形突出部399在與運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310 接合時(shí)可以形成空隙388?？障?88可以位于與壓電堆302鄰近的中 心軸線201并排處?？梢栽O(shè)想，可以省略環(huán)形突出部399并且接合 裝置208可以在整個(gè)表面上與運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310交接，或者環(huán)形突出 部399可以與運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310分開(kāi)。還可以設(shè)想，接合裝置208可 以被完全省略并且致動(dòng)組件242可以與運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310直接交接。
運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以保護(hù)壓電堆302并使其隔離由于吸收過(guò)多 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)。如在這里使用的，震動(dòng)可以是指在壓電堆302碰 觸止動(dòng)件時(shí)產(chǎn)生的突然沖擊。在例如壓電晶體的脆性材料中的震動(dòng) 可能導(dǎo)致晶體內(nèi)的顯微裂紋。隨著時(shí)間的流逝，這些顯微裂紋會(huì)導(dǎo) 致失效。可以設(shè)想，通過(guò)減少或者阻止壓電堆302碰觸止動(dòng)件，可 以減小壓電堆302中的震動(dòng)。運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310能夠彎曲或變形，以 吸收過(guò)多的運(yùn)動(dòng)并且允許壓電堆302隨著減速時(shí)間和減速距離而減 速，而不是快速地減速?？梢栽O(shè)想，在一種實(shí)施方式中，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接 器310可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的鋼或任何其它材料制造以
14吸收過(guò)多的運(yùn)動(dòng)。如果允許壓電堆302快速地減速，那么會(huì)在壓電
堆302中的壓電材料的脆性晶體結(jié)構(gòu)中形成顯微裂紋。隨著時(shí)間的 流逝，并且在反復(fù)地碰觸止動(dòng)件之后，壓電堆302會(huì)出現(xiàn)疲勞失效， 由此降低燃料噴射器132的耐用性和壽命。
參照?qǐng)D2和圖3，可以設(shè)想，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以接收由壓電堆 302產(chǎn)生的載荷力。隨著壓電堆302的擴(kuò)張，載荷力和第一距離可以 通過(guò)接合裝置208傳遞到運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。反作用于載荷力，運(yùn)動(dòng)聯(lián) 接器310可以沿著中心軸線201并且遠(yuǎn)離壓電堆302移動(dòng)直到與上 部活塞245連接。在與上部活塞245連4妄時(shí)，上部活塞245和運(yùn)動(dòng) 聯(lián)接器310可以沿著中心軸線201并且遠(yuǎn)離壓電堆302 —起運(yùn)動(dòng)， 直到通過(guò)末端223使控制元件289從上部支座227移位為止。在使 控制元件289移位時(shí)，即，在壓電堆302由于擴(kuò)張而移動(dòng)第二距離 之后，控制元件289可以碰觸止動(dòng)件。即，上部活塞245和控制元 件289可以行進(jìn)第二距離并且隨后控制元件289可以碰觸止動(dòng)件。 可以設(shè)想，該距離可以包括間隙206的寬度。在碰觸止動(dòng)件時(shí)，運(yùn) 動(dòng)聯(lián)接器310可以開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，使得壓電堆302可以繼續(xù)擴(kuò)張并且第 一距離可以繼續(xù)增大。為了便于偏轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以由能夠 彈性變形的延展性材料構(gòu)成。還可以設(shè)想，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以保 護(hù)并且隔離壓電堆302不受由于吸收由壓電堆302產(chǎn)生的過(guò)多運(yùn)動(dòng)
而帶來(lái)的損壞。由運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310吸收的過(guò)多運(yùn)動(dòng)可以等于第一距 離和第二距離之間的差。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出了運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310的第一實(shí)施方式-運(yùn)動(dòng)聯(lián) 接器410。在該實(shí)施方式中，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器410可以具有兩個(gè)臂405。 每個(gè)臂405可以從中心部分401朝向外部徑向部分393向外延伸。 即，每個(gè)臂405可以從中心部分401延伸到圓柱形外殼353 (圖3) 和/或可以和接合裝置208 —樣寬。每個(gè)臂405能夠在由壓電堆302 產(chǎn)生的載荷力下偏轉(zhuǎn)。即，在每個(gè)臂中可以形成彎曲力矩，以允許 壓電堆302在運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310碰觸止動(dòng)件之后擴(kuò)張。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5,示出了運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310的第二實(shí)施方式-運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器510。在該實(shí)施方式中，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器510可以具有四個(gè)臂505。每個(gè)臂505可以從中心部分501朝向外部徑向部分593向外延伸。即，每個(gè)臂505可以從中心部分501延伸到圓柱形外殼353 (圖3)和/或可以和接合裝置208 —樣寬。每個(gè)臂505能夠在由壓電堆302產(chǎn)生的載荷力下偏轉(zhuǎn)。即，在每個(gè)臂中可以形成彎曲力矩，以允許壓電堆302在運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310碰觸止動(dòng)件之后擴(kuò)張。
還可以設(shè)想，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以被完全省略并且上部活塞245可以保護(hù)壓電堆302并且將其與由于吸收過(guò)多運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)隔離。上部活塞245可以由各種材料構(gòu)成，并且可以具有通過(guò)沿著其長(zhǎng)度變形吸收過(guò)多運(yùn)動(dòng)所需的幾何結(jié)構(gòu)。即，上部活塞245可以被構(gòu)造成使其幾何結(jié)構(gòu)和/或材料允許活塞長(zhǎng)度的改變足以吸收與第 一距離和第二距離的差相等的距離。例如，上部活塞245可以是圓柱形的并且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到的各種類型的鋼、鋁、鈦或任何其它材料構(gòu)造。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，除了圖4和圖5所示的實(shí)施方式之外，許多其它的實(shí)施方式也是可行的。例如，可以設(shè)想，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以連接到上部活塞245并且可以省略間隙206。另外，可以設(shè)想，接合裝置208可以連接到運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310。替代地，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以設(shè)置在波紋管326中和/或可以直接接觸壓電堆302。還可以設(shè)想，臂405、 505可以被省略和/或運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以與接合裝置208具有圓形交接面。在這些實(shí)施方式中，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310能夠具有彎曲力矩，允許壓電堆302在被供以能量時(shí)擴(kuò)張，由此減小可能導(dǎo)致燃料噴射器132失效的磨損和顯微裂紋。
工業(yè)實(shí)用性
雖然所示和上述是結(jié)合燃料噴射器使用的，但本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以應(yīng)用到壓電致動(dòng)器的任意應(yīng)用中，在所述應(yīng)用中，壓電堆可能碰觸硬質(zhì)止動(dòng)件。通過(guò)吸收壓電堆302的過(guò)多運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以減小壓電堆302內(nèi)的震動(dòng)并且由此減小可能導(dǎo)致疲勞的顯微裂紋。減小由于震動(dòng)引起的顯微裂紋可以延長(zhǎng)燃料噴射器132的壽命并增強(qiáng)其耐用性?，F(xiàn)在將說(shuō)明示例性的動(dòng)力系統(tǒng)100的4喿作。
可以通過(guò)低壓泵126將燃料箱124中處于第一壓力的燃料加壓到第二壓力，并且通過(guò)高壓泵136將其從第二壓力加壓到第三壓力。來(lái)自高壓泵136的加壓燃料可以通過(guò)單向閥128和燃料管路130輸送到噴射歧管134。加壓燃料可以從噴射歧管134通過(guò)燃料管路166輸送到燃料噴射器132的燃料入口 221。
加壓燃料可以從燃料入口 212流過(guò)上部通道2 3 5和下部通道2 3 6以填充控制室286。另外，加壓燃料可以流過(guò)控制孔口 283以填充止回上部容積285、平^f孔口 281和內(nèi)部孔229。內(nèi)部孔229中的加壓燃料可以驅(qū)使控制元件289抵靠上部支座227，由此阻止加壓燃料流入排出通道256。同樣，加壓燃料可以作用在第一液壓表面279上，以使針閥元件278抵靠針閥元件支持面294，由此阻止加壓燃料通過(guò)噴射孔口 187流入燃燒室110中。
為了將加壓燃料噴射輸送到燃燒室110,壓電堆302可以通過(guò)經(jīng)由電端子250傳輸電能而擴(kuò)張。施加到電端子250的電能可以經(jīng)由設(shè)置在壓電材料層305之間的電觸點(diǎn)307向壓電堆302供能。在被供以能量時(shí)，層305可以單獨(dú)地?cái)U(kuò)張，以引起密封組件207內(nèi)的移位。例如，壓電堆302可以被供以260伏的能量，使得密封組件207沿著中心軸線201在長(zhǎng)度上擴(kuò)張。該擴(kuò)張可以驅(qū)使接合裝置208沿著中心軸線201朝向控制閥251移動(dòng)第一距離。例如，在一種實(shí)施方式中，第一距離可以是40微米。由于運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310在外部徑向部分393處與接合裝置208接觸，因此運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310也可以朝向控制閥251移動(dòng)。在與上部活塞245接觸時(shí)，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310和上部活塞245可以一起移動(dòng)，以通過(guò)末端223推動(dòng)控制元件289離開(kāi)其上部支座227。
當(dāng)通過(guò)末端223推動(dòng)控制元件289離開(kāi)其上部支座227時(shí)，止回上部容積285、平衡孔口 281和內(nèi)部孔229會(huì)快速地降壓到排出通
17道256中。止回上部容積285的降壓會(huì)改變對(duì)針閥元件278的偏壓。即，控制室286中的加壓燃料可以作用在第二液壓表面280上，使得針閥元件278運(yùn)動(dòng)離開(kāi)針閥元件支持面294，由此不阻擋噴射孔口287。在噴射孔口 287不被阻擋時(shí)，加壓燃料的噴射可以從控制室286傳輸?shù)饺紵?10中。
緊接著推動(dòng)控制元件289離開(kāi)上部支座227之后，可以限制運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)。僅出于該例子的目的，這可以發(fā)生在壓電堆302已經(jīng)擴(kuò)張第二距離之后。在一種示例性的實(shí)施方式中，第二距離可以是25微米。由于壓電堆302將繼續(xù)擴(kuò)張直到到達(dá)第一距離，因此運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以吸收過(guò)多的運(yùn)動(dòng)以減小硬質(zhì)止動(dòng)件向壓電堆302的震動(dòng)。即，運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310可以偏轉(zhuǎn)一距離，該距離等于第二距離與第二距離的差，以減小壓電堆302中的震動(dòng)。
運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器310的臂405可以偏轉(zhuǎn)以吸收由于壓電堆302的擴(kuò)張產(chǎn)生的過(guò)多的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)偏轉(zhuǎn)，臂405可以降低壓電堆302減速的速率，由此減小震動(dòng)。由于震動(dòng)可以導(dǎo)致壓電材料中的顯微裂紋，該顯微裂紋會(huì)由于疲勞導(dǎo)致失效，因此減小震動(dòng)可以延長(zhǎng)燃料噴射器132的壽命并增強(qiáng)其耐用性。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的條件下，可以對(duì)本發(fā)明的燃料噴射器進(jìn)行各種變型和改變。通過(guò)考慮在這里公開(kāi)的說(shuō)明書以及燃料噴射器的實(shí)際應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其它變型。本說(shuō)明書和例子僅僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)保護(hù)范圍通過(guò)后附的權(quán)利要求書并按照等同原則加以確定。
權(quán)利要求
1.一種燃料噴射器，包括殼體，其沿著所述燃料噴射器的中心軸線大致對(duì)準(zhǔn)；控制閥，其能夠?qū)θ剂狭魍ㄟ^(guò)所述燃料噴射器進(jìn)行控制；壓電元件，其設(shè)置在所述殼體內(nèi)且與所述控制閥相關(guān)聯(lián)；以及運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器，其設(shè)置在所述控制閥和所述壓電元件之間，所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器能夠減小所述壓電元件中的震動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴射器，還包括連接到所述壓電 元件的接合裝置，所述接合裝置能夠?qū)?lái)自所述壓電元件的載荷力 通過(guò)環(huán)形突出部分配到所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料噴射器，其中，來(lái)自所述壓電元 件的所述載荷力通過(guò)所述環(huán)形突出部分配到所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器的外部 徑向部分，所述外部徑向部分能夠朝向所述控制閥偏轉(zhuǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴射器，其中，所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器 至少具有兩個(gè)臂，每個(gè)臂從所述中心軸線朝向所述殼體向外延伸， 并且能夠彎曲以減小所述壓電元件中的震動(dòng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴射器，還包括連接到所述壓電 元件的接合裝置，所述接合裝置具有被設(shè)置成與所述中心軸線對(duì)準(zhǔn) 并且能夠接合所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器的環(huán)形突出部。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料噴射器，其中，所述接合裝置和 所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器之間的交接面包括空隙，所述空隙沿著所述中'"、軸 線與所述壓電元件大致并排。
7. —種燃料噴射器，包括殼體，其沿著所述燃料噴射器的中心軸線大致對(duì)準(zhǔn)； 壓電元件，其設(shè)置在所述殼體內(nèi)并且能夠沿著所述中心軸線擴(kuò) 張第一距離；控制元件，其沿著所述中心軸線設(shè)置，所述控制元件能夠運(yùn)動(dòng) 第二距離并且影響燃料流通過(guò)所述燃料噴射器，所述第二距離不等于所述第一距離；以及活塞，其可滑動(dòng)地設(shè)置在所述壓電元件和所述控制元件之間， 所述活塞能夠?qū)⑦\(yùn)動(dòng)從所述壓電元件傳遞到所述控制元件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料噴射器，其中，所述第一距離大 約等于所述第二距離和所述活塞長(zhǎng)度的改變量之和。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料噴射器，其中，所述活塞能夠減 小所述壓電元件中的震動(dòng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料噴射器，還包括設(shè)置在所述活塞 和所述壓電元件之間的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器，所述運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器能夠減小所述 壓電元件中的震動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料噴射器，更具體而言，涉及用于壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器。所述燃料噴射器可包括沿著燃料噴射器的中心軸線大致對(duì)準(zhǔn)的殼體。燃料噴射器還可包括能夠控制燃料流通過(guò)燃料噴射器的控制閥。燃料噴射器還可包括設(shè)置在殼體內(nèi)并且與控制閥相關(guān)聯(lián)的壓電元件。燃料噴射器還可包括設(shè)置在控制閥和壓電元件之間的運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器，該運(yùn)動(dòng)聯(lián)接器能夠影響震動(dòng)以減少壓電元件中的顯微裂紋。
文檔編號(hào)F02M51/06GK101560934SQ20091013046
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月18日
發(fā)明者A·R·馬納博魯, J·K·文卡塔拉格哈范, S·G·拉克哈帕蒂, S·R·劉易斯 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司