與壓電燃料噴射器一起使用的預加載彈簧的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供壓電燃料噴射器彈簧組件及用于組裝這樣的壓電燃料噴射器彈簧組件的組裝方法。所述組件具有壓電元件（204）、第一彈簧（212）以及第二彈簧（210）。第一彈簧（212）通過使第二彈簧（210）伸展而偏置第二彈簧（210），并且第二彈簧（210）在壓電元件（204）膨脹時進一步伸展。針對組裝，在將第二彈簧的第二端連接到壓電元件的第二端之前通過外部壓縮力壓縮第一彈簧，并且在連接后，釋放外部力，使得在第一和第二彈簧之間能夠建立彈簧力平衡。
【專利說明】
與壓電燃料噴射器一起使用的預加載彈簧
技術領域
[0001]本發(fā)明總體上涉及利用壓電元件的燃料噴射器，并且更具體地涉及進一步利用彈簧的壓電燃料噴射器。
【背景技術】
[0002]大多數(shù)現(xiàn)代內燃發(fā)動機利用燃料噴射系統(tǒng)以通過在高壓下強制栗送燃料穿過小的噴嘴來將霧化的燃料遞送到發(fā)動機。這些燃料噴射系統(tǒng)常常比先前使用的化油器更加精確且有效。在這些系統(tǒng)中使用的典型燃料噴射器通常利用液壓地、電磁地、或壓電地致動的噴射器銷。
[0003]壓電元件是在電壓被施加到元件時改變尺寸的材料。在移除電壓時，壓電元件返回到其原始尺寸。當用作致動器時，許多壓電元件被堆疊在一起以形成更大的壓電元件或者“壓電堆疊”以提高致動器的位移。在壓電致動的燃料噴射器中，這些壓電元件或壓電堆疊中的一個或多個被用來致動燃料噴射器銷，以用于計量到內燃發(fā)動機中的燃料。各種彈簧狀結構常常與這些裝置結合使用以施加回程力并因此促進燃料噴射器銷在不再致動壓電堆疊之后返回到其“靜止”位置。
[0004]當在燃料噴射器中利用壓電堆疊時出現(xiàn)的一個問題是:壓電堆疊的有效運作需要在組裝含有堆疊的噴射器的相關部分期間建立足夠的預加載力。針對可行的封裝要求，為施加回程力所需要的預加載力通常高于由標準螺旋彈簧所能提供的力并且因此是不足的。因此，利用壓電堆疊的典型燃料噴射器常常利用管狀彈簧以提供回程力。管狀彈簧基本上是筒形管，其具有狹縫和/或凹槽的樣式以提供增加的軸向柔性。使用管狀彈簧結構的示例布置能夠在歸屬于西門子威迪歐汽車電子的歐洲專利EP1548854A1中發(fā)現(xiàn)。
[0005]利用管狀彈簧提供回程力的一個問題是:管狀彈簧常常相當僵硬(S卩，它們具有高的彈簧剛度)并且因此要求使用顯著精確的組裝過程以提供在可接受的公差范圍內的預加載力。
[0006]當前用于試圖提供能夠支持充足的預加載力的彈簧的其他選擇包括利用螺紋環(huán)結構，然而，這樣的結構通過對壓電堆疊添加不需要的扭矩而使燃料噴射過程變得復雜。其他復雜的設備也能夠被設計成保持上述管狀彈簧以促進特定且更精確的拉伸，然而，這些設備可能成本高、可能具有精細的生產(chǎn)要求并且可能添加額外的復雜的部件到燃料噴射器。
[0007]仍保留輕微運動的壓配合套筒有時也被用于上述目的，然而，這些結構均具有上述設備的非期望的復雜性。最后，有時利用碟形彈簧，然而，這能夠導致非期望的封裝布置以及施加到碟形彈簧的高應力，該高應力能夠損壞這些彈簧并且因此縮短燃料噴射器的使用壽命。
[0008]因此需要有效的方法和裝置以適應用于在燃料噴射器中利用的壓電堆疊的足夠的預加載力。

【發(fā)明內容】

[0009]本文中描述了用于有效地適應用于在燃料噴射器內利用的壓電堆疊的足夠預加載力的方法和裝置。并入了本發(fā)明的特征的方法能夠包括適應足夠的預加載力，例如，在燃料噴射器部分的組裝期間，通過使用多個彈簧將壓電元件布置在噴射器主體內，所述多個彈簧包括布置成彼此結合的至少兩種不同類型的彈簧。預加載力能夠施加到壓電元件，從而壓縮第一類型的彈簧，同時允許第二類型的彈簧保持在其自由長度。壓電元件然后能夠進一步被包圍在主體部分內和/或第二類型的彈簧被附接在適當位置，從而使彈簧能夠提供必要的預加載力。該方法和其他方法在下面進一步更詳細地陳述。
[0010]并入了本發(fā)明的特征的裝置能夠包括壓電元件和多個彈簧，所述多個彈簧能夠是至少兩種不同類型的彈簧，其布置成彼此結合以向壓電元件提供足夠的預加載力。在一些實施例中，多個彈簧包括一個或多個管狀彈簧，其被構造成與一個或多個碟形彈簧串聯(lián)。
[0011]基于下述【具體實施方式】，本發(fā)明的這些和其他進一步的特征和優(yōu)點將對本領域的技術人員顯而易見，結合附圖，如下所述。
【附圖說明】
[0012]圖1是燃料噴射器的剖視圖，其示出能夠應用根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的示例環(huán)境；
圖2是并入了本發(fā)明的特征的自由無載的壓電元件構造的剖視圖；
圖3是圖2的壓電元件構造的剖視圖，示出了正在施加預加載力且壓電元件處于受壓狀態(tài)；
圖4是圖2的壓電元件構造的剖視圖，示出了預加載的壓電組件；以及圖5是圖4的預加載的壓電組件的透視圖。
【具體實施方式】
[0013]并入了本發(fā)明的特征的用于在燃料噴射器中使用的壓電元件封裝能夠包括壓電元件和多個彈簧，該多個彈簧包括至少兩種不同類型的彈簧，其被布置成彼此結合以向壓電元件提供足夠的預加載力。在一些實施例中，多個彈簧包括一個或多個管狀彈簧，其被構造成與一個或多個蝶形彈簧串聯(lián)。
[0014]壓電元件能夠是單個壓電元件或者能夠是彼此結合布置以形成一個或多個壓電堆疊的多個壓電元件。壓電元件的形狀能夠基于電流的遞送而改變。壓電元件能夠被構造成與噴射器銷連通以便響應于激活的壓電元件的運動被傳遞到銷，以使銷響應于壓電元件的致動在期望方向上運動。當不再向壓電元件施加電流時，壓電元件和銷返回到“靜止”位置。能夠利用各種結構(諸如使用一個或多個彈簧)來與壓電元件結合，以施加回程力并且促進壓電元件返回到“靜止”位置。
[0015]多個彈簧能夠包括在多個內的彈簧的各種構造和布置并且能夠包括至少兩種不同類型的彈簧。這些不同類型的彈簧能夠被構造成彼此結合，使得封裝能夠被布置成帶有可接受的預加載力，并且在多個內的彈簧能夠在彈簧壽命周期或者封裝的完整性內適應該預加載力。
[0016]在一些實施例中，多個彈簧包括一個或多個管狀彈簧和一個或多個蝶形彈簧。在一些實施例中，管狀彈簧和蝶形彈簧彼此串聯(lián)布置。將管狀彈簧和蝶形彈簧彼此串聯(lián)布置的一個優(yōu)勢在于能夠在沒有對彈簧施加大量應力的預加載力的情況下提供充足的回程力。通過將管狀彈簧和蝶形彈簧串聯(lián)布置，緩和了彈簧類型的各個缺陷中的大部分，例如，管狀彈簧的高彈簧剛度通過多個蝶形彈簧部件被減輕并且施加到蝶形彈簧的應力通過管狀彈簧部件被減輕。在其他實施例中，管狀彈簧和蝶形彈簧能夠彼此平行地布置。然而，平行布置可能會增加剛性并且因此減少上述的益處。
[0017]在組裝壓電噴射器封裝的管狀彈簧/蝶形彈簧的實施例中，壓電元件與管狀彈簧和蝶形彈簧結合布置，使得對壓電元件施加預加載壓縮力，從而在管狀彈簧保持在其自由(未壓縮)長度的同時壓縮蝶形彈簧。在壓電元件被噴射器主體結構圍繞(除了施加壓縮力的敞開區(qū)域)的情況下，能直接將壓縮力施加到壓電元件。在一些實施例中，代替存在噴射主體的敞開區(qū)域(在該區(qū)域中，向壓電元件直接施加壓縮力)，存在噴射器主體的“可運動部分”，其隨著壓縮力運動并且壓縮壓電元件。應理解的是，該噴射器主體的可運動部分能夠布置成在主體內行進，例如，利用狹縫和凹槽滑動系統(tǒng)，以及彎曲、撓曲或者以其他方式改變其形狀以便隨壓縮力運動并且壓縮壓電元件。
[0018]蝶形彈簧能夠被夾在壓電元件與端帽和/或周圍的噴射器主體的一部分之間，使得在向壓電元件施加壓縮力時，壓電元件按壓抵靠在蝶形彈簧及端帽上，從而壓縮碟形彈簧。一旦蝶形彈簧已經(jīng)達到期望的壓縮，例如，提供與期望預加載力相等的回程力，封裝能夠進一步被密封，例如，在如上述那樣的帶有敞開區(qū)域的實施例中，通過將額外的端帽部分附接到將其完全包圍的封裝上，從而維持當前的壓縮水平。在帶有可運動部分的實施例中，如上所述，能夠通過將可運動部分附接于期望位置、從而防止可運動部分的進一步運動來維持當前的壓縮水平。本文中所提及的各種“附接”步驟能夠利用本領域中已知的將物體附接于適當位置的任何永久或暫時方法(例如，焊接和利用各種粘結劑)執(zhí)行。然后能夠將自由長度的管狀彈簧固定在適當位置。
[0019]在一些實施例中，一旦已經(jīng)獲得壓電元件和對應的碟形彈簧的期望的預加載壓縮，就通過將額外的端帽部分附接到管狀彈簧本身、或者將噴射器主體結構的可運動部分(在那些實施例中)附接到管狀彈簧本身來維持預加載力。來自先前壓縮的碟形彈簧的所得后推力推壓抵靠壓電元件和端帽部分(或可運動部分)，從而拉伸管狀彈簧并將其固定在期望的預加載位置。
[0020]貫穿本公開，本文中的優(yōu)選實施例和所示出的示例作為例子被提供，而不是作為對本公開的范圍的限制被提供。如在本文中使用的，術語“發(fā)明”、“方法”、“本方法”或者“本發(fā)明”指的是并入了本文中所描述的本發(fā)明的特征的實施例中的任一個及任何等同物。而且，貫穿本文件對“發(fā)明”、“方法”、“本方法”或者“本發(fā)明”的各種特征(一個或復數(shù)個)的參考不意味著所有要求保護的實施例或方法必須包含所參考的特征(一個或復數(shù)個)。
[0021]還應理解的是，當元件或特征被指示為在另一個元件或特征“上”或“鄰近”另一個元件或特征時，可以是直接在其他元件或特征上或直接鄰近其他元件或特征，或者也可以存在中間元件或特征。另外，相對術語，諸如“外部”、“上方”、“下部”、“下方”及類似術語可在本文中用于描述一個特征與另一個特征的關系。應理解的是，這些術語旨在涵蓋除圖中所描繪的取向之外的不同取向。
[0022]盡管術語第一、第二等可在本文中用于描述各種元件或部件，但是這些元件或部件不應受這些術語限制。這些術語僅用于區(qū)分一個元件或部件與另一個元件或部件。因此，下面所討論的第一元件或部件可被稱為第二元件或部件而不脫離本發(fā)明的教導。如在本文中使用的，術語“和/或”包括相關列表物件中的一個或多個的任何組合及全部組合。
[0023]在本文中使用的術語僅用于描述具體實施例的目的并且不意欲限制本發(fā)明。如在本文中使用的，單數(shù)形式“一”、“一個”和“該”均意欲還包括復數(shù)形式，除非上下文中以其他方式清楚指出。例如，當本說明書指示“一個”換能器時，應理解的是該語言涵蓋單個換能器或者多個換能器或換能器陣列。還將理解的是當術語“包括”、“包括著”、“包含”和/或“含有”在本文中使用時，具體說明存在所陳述的特征、整型、步驟、操作、元件，和/或部件，但是不排除存在或添加一個或多個其他特征、整型、步驟、操作、元件、部件，和/或其組群。
[0024]在本文中參考不同視圖和圖示(其是本發(fā)明的理想實施例的示意圖)描述了本發(fā)明的實施例。照此，可預期例如由于制造技術和/或公差引起的圖示的形狀的變型。本發(fā)明的實施例不應被理解為受限于本文中所示區(qū)域的具體形狀，而是還包括例如由制造所帶來的形狀的偏差。在下文中進一步更詳細地討論利用這樣的方法的實施例，例如，在圖2-圖4的進展期間。
[0025]根據(jù)本公開的實施例能夠與各種燃料噴射系統(tǒng)一起利用，所述燃料噴射系統(tǒng)包括利用處于被加熱和/或超臨界狀態(tài)的燃料的噴射系統(tǒng)，其示例在下述專利文件(包括其附圖、圖解、圖表及相關書面描述)中陳述:1^8，402，951;美國專利號8，176，900;美國專利號8，116，963;美國專利號8，079，348;美國專利號7，992，545;美國專利號7，966，990;美國專利號7，945，375;美國專利號7，762，236;美國專利號7，743，754;美國專利號7，657，363;美國專利號7，546，826;以及美國專利號7，444，230。這些文件的全部內容通過引用并入本文中。
[0026]在更加詳細地解釋并入了本發(fā)明的特征的方法和裝置之前，將有用的是陳述能夠利用這樣的方法和裝置的示例環(huán)境。圖1示出燃料噴射器100的示例，其包括燃料噴射器主體102和燃料噴射器銷104，該燃料噴射器銷104與壓電元件106連通。當致動壓電元件106時，該壓電元件106膨脹，從而導致推壓燃料噴射器銷104向前，并且因此通過燃料噴射器開口 108將燃料噴射到發(fā)動機中。這樣的示例燃料噴射器環(huán)境的進一步細節(jié)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等的美國專利號7，992，545中陳述，該專利的全部內容通過引用并入本文中。
[0027]圖1的燃料噴射器100的一部分(在其中，根據(jù)本發(fā)明的預加載壓電封裝能夠被利用)通過虛線框110被限定，虛線框110涵蓋了燃料噴射器主體102的一部分和壓電元件106。并入了本發(fā)明的特征的、通過虛線框110限定的圖1的燃料噴射器100的該部分的放大視圖在圖2中示出。
[0028]圖2示出壓電燃料噴射器封裝200，其包括壓電元件204、第一端帽206、第二端帽208、管狀彈簧210、一個或多個蝶形彈簧212(其被構造成與管狀彈簧210串聯(lián))、燃料噴射器銷214以及彈簧保持器218，管狀彈簧210在第一連接點219處連接到該彈簧保持器218。彈簧保持器218能夠是第一端帽206的集成部分或者能夠是被構造成將管狀彈簧210保持在期望位置中的單獨結構。壓電燃料噴射器封裝200能夠代替整個燃料噴射器的對應部分，諸如上面在圖1中通過虛線框110表示的部分，或者壓電燃料噴射器封裝200能夠集成到或者被容納在對應部分中。
[0029]在組裝壓電燃料噴射器封裝200期間，壓電元件204被布置成使得其鄰近于和/或鄰接抵靠第一端帽206。第一端帽206通常被構造有燃料噴射器銷214，使得當壓電元件204被致動時，燃料噴射器銷發(fā)生位移。燃料噴射器銷不必如所示那樣連接到第一端帽206，并且能夠被構造成許多不同的布置，其使得壓電元件204的力和/或運動能夠傳遞到燃料噴射器銷214。第一端帽206能夠是連接到燃料噴射器銷的單獨結構或者能夠是燃料噴射器銷214本身的頂部分或者帽部分。
[0030]管狀彈簧210能夠是單獨結構，或者能夠是環(huán)繞噴射器主體本身的集成部分，例如，通過形成噴射器主體使得其包括必要的狹縫、凹槽和/或波紋部分以產(chǎn)生彈簧結構。蝶形彈簧212能夠包括蝶形墊圈或者任何適當?shù)腻F形盤彈簧。在所示出的實施例中，管狀彈簧210在第一連接點219處附接到彈簧保持器218。通過使管狀彈簧210的僅僅單個端附接到第一端帽206，管狀彈簧210能夠在組裝過程的大部分期間維持其自由(未被壓縮的/未被拉伸的)長度。
[0031]圖2-圖4示出并入了本發(fā)明的特征的漸進式預加載方法。如在圖2中所示，蝶形彈簧212還未被壓縮。如在圖3中所示，其中，相同的結構通過相同的參考特征表示，在組裝壓電燃料噴射器封裝200的期間，對端帽208施加力220。該力能夠通過中間元件(例如，如上所述的可運動的第二端帽208部分)傳輸。
[0032]所施加的力220壓縮壓電元件204，將壓電元件204推壓抵靠于第一端帽206并且因此壓縮蝶形彈簧212到平坦位置(未示出)中，從而減小在第一端帽206和彈簧保持器218之間的空間。管狀彈簧210(被布置成與蝶形彈簧212串聯(lián))在預加載過程期間維持其自由長度。如上面所提及的，管狀彈簧常常具有高的彈簧剛度并且要求精確的組裝過程。通過使管狀彈簧能夠在預加載設置過程期間維持其自由長度并且不經(jīng)歷顯著應力，能夠減輕對管狀彈簧的損害并且簡化了整個過程。
[0033]盡管示出了兩個蝶形彈簧212，也能夠利用單個或者各種多個堆疊的蝶形彈簧212。管狀彈簧210和蝶形彈簧212還能夠以各種不同的方式串聯(lián)或并列地被布置，例如，一個或多個蝶形彈簧能夠被布置成靠近封裝200的頂表面221并且因此被布置成在一個或多個管狀彈簧210上。
[0034]在蝶形彈簧已經(jīng)足夠地被壓縮之后，例如，通過施加期望力值，能夠維持預加載值。為了維持封裝力值，能夠將第二端帽208固定在適當位置，并且因此在壓電元件204上維持預加載力值。管狀彈簧210的鄰近端在第二連接點222處被附接到第二端帽208。通過借助本領域中已知的各種附接方法(例如，釬焊和焊接)將第二端帽208固定至壓電元件204和/或管狀彈簧210，能夠按照需要使第二端帽208不能運動或者少運動。
[0035]圖4示出燃料噴射器封裝300的預加載方式。如在圖4中所示，蝶形彈簧212已經(jīng)返回到稍微減壓的位置，從而向上推壓在壓電元件204上并且拉伸管狀彈簧210并將其固定在期望預加載位置中。管狀彈簧被示出為在第一和第二連接點219、222處附接到端帽。圖5示出圖4中的預加載燃料噴射器封裝300的透視圖，其中，管狀彈簧210附接到第一和第二端帽302、304。
[0036]盡管已參考本發(fā)明的某些優(yōu)選構造詳細描述了本發(fā)明，但是其他方式也是可行的。本發(fā)明的實施例能夠包括在各種圖中所示的兼容性特征的任何組合，并且這些實施例不應受限于那些明確示出和討論的特征。因此，本發(fā)明的精神和范圍不應受限于上述方式。
[0037]上述內容旨在覆蓋落入本發(fā)明的精神和范圍內的所有修改和替代方案，其中，如果未在權利要求中陳述，則本公開的任何部分均不意在、明確地或暗示地、貢獻于公共領域。
【主權項】
1.一種壓電燃料噴射器彈簧組件，其包括: 至少一個壓電元件(204)； 至少一個第一彈簧(212);以及 至少一個第二彈簧(210); 其中，所述至少一個第一彈簧(212)通過使所述至少一個第二彈簧(210)伸展而偏置所述至少一個第二彈簧(210);并且 所述至少一個第二彈簧(210)在所述壓電元件(204)膨脹時進一步伸展。2.根據(jù)權利要求1所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述至少一個壓電元件(204)的第一端以力傳輸方式直接或間接地連接至所述至少一個第二彈簧(210)的第一端，并且所述至少一個壓電元件(204)的第二端以力傳輸方式直接或間接地連接至所述至少一個第二彈簧(210)的第二端。3.根據(jù)權利要求2所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述至少一個壓電元件(204)的第一端通過第一端帽(206)以力傳輸方式間接地連接至所述至少一個第二彈簧(210)的所述第一端，并且所述至少一個壓電元件(204)的所述第二端通過第二端帽(208)以力傳輸方式間接地連接至所述至少一個第二彈簧(210)的所述第二端。4.根據(jù)權利要求1所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述至少一個第二彈簧(210)與所述至少一個第一彈簧(212)相比是不同種類的彈簧。5.根據(jù)權利要求1所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述至少一個第二彈簧(210)是管狀彈簧，并且所述至少一個壓電元件(204)被容納在所述管狀彈簧內。6.根據(jù)權利要求1所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述至少一個第一彈簧(212)是蝶形彈簧。7.根據(jù)權利要求3所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述至少一個第一彈簧(212)是夾在所述第一端帽(206)和可運動元件之間的蝶形彈簧，所述可運動元件以力傳輸方式與所述至少一個壓電元件(204)的所述第一端連接。8.根據(jù)權利要求7所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，在所述至少一個壓電元件(204)膨脹時，所述可運動元件壓縮所述至少一個第一彈簧(212)，使得力經(jīng)由所述至少一個第一彈簧(212)和所述第一端帽(206)傳輸?shù)剿鲋辽僖粋€第二彈簧(210)的所述第一端中，所述傳輸?shù)牧κ顾鲋辽僖粋€第二彈簧(210)伸展。9.根據(jù)權利要求8所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，在所述至少一個壓電元件(204)膨脹時，所述至少一個第一彈簧(212)被壓縮至達到其完全平坦構造的點。10.根據(jù)權利要求1所述的壓電燃料噴射器彈簧組件，其中，所述壓電元件(204)的所述第一端直接或間接地連接至燃料噴射器銷(214)，使得在所述壓電元件(204)膨脹時，所述壓電元件(204)移動所述燃料噴射器銷(214)。11.一種用于組裝壓電燃料噴射器彈簧組件的組裝方法，所述壓電燃料噴射器彈簧組件包括具有第一和第二端的至少一個壓電元件(204)、至少一個第一彈簧(212)、以及具有第一和第二端的至少一個第二彈簧(210)，所述組裝方法包括下述步驟: -將所述壓電元件(204)的所述第一端以力傳輸方式經(jīng)由所述至少一個第一彈簧(212)連接至所述至少一個第二彈簧(210)的所述第一端； -通過對所述至少一個第一彈簧(212)施加外部壓縮力，壓縮所述至少一個第一彈簧(212)； -將所述壓電元件(204)的所述第二端以力傳輸方式直接或間接地連接至所述至少一個第二彈簧(210)的所述第二端；以及 -完全釋放作用在所述至少一個第一彈簧(212)上的所述外部壓縮力，以便部分地釋放所述第一彈簧(212)，同時使所述至少一個第二彈簧(210)伸展到所述至少一個第一彈簧(212)和所述至少一個第二彈簧(210)的彈簧力達到平衡的點。12.根據(jù)權利要求11所述的組裝方法，其包括:通過在將所述壓電元件(204)的所述第二端以力傳輸方式連接至所述至少一個第二彈簧(210)的所述第二端之前，推壓所述壓電元件(204)的所述第二端抵靠所述至少一個第一彈簧(212)，來對所述至少一個第一彈簧(212)施加所述壓縮力。
【文檔編號】F02M61/16GK106062350SQ201580007573
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月6日
【發(fā)明人】S.格拉夫斯
【申請人】艾克莫特公司