ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД Российский патент 2004 года по МПК F16K31/00 

Настоящее изобретение относится к пьезоэлектрическому приводу, предназначенному прежде всего для управления распределительными клапанами или клапанными форсунками двигателей внутреннего сгорания транспортных средств и имеющему исполнительный пьезоэлемент, который выполнен, в частности, в виде многослойного пакета, состоящего из расположенных один над другим слоев пьезоэлектрического материала и расположенных между ними металлических, соответственно токопроводящих слоев, служащих электродами, при этом исполнительный пьезоэлемент окружен стенкой с образованием промежуточного пространства, разделенного на верхнюю и нижнюю полости подвижной в осевом направлении поперечной перегородкой, которая расположена в зоне приводной головки.

Пьезоэлектрический привод такого типа известен, например, из заявки DE 19650900 А1, поданной на имя фирмы Robert Bosch GmbH.

Общеизвестно, что пьезоэлектрические приводы могут использоваться, например, для клапанных форсунок двигателей транспортных средств, а также в тормозных системах с противоблокировочным устройством и противобуксовочных системах.

Подобные оснащенные пьезоэлектрическими приводами клапанные форсунки имеют распылитель, которым управляет выполненный по типу толкателя запорный элемент. Со стороны распылителя толкатель имеет рабочую поверхность, на которую действует давление подаваемого в распылитель топлива, при этом усилия, создаваемые давлением топлива, стремятся вытеснить толкатель в направлении открытия запорного элемента. Толкатель своим выполненным по типу плунжера концом, поперечное сечение которого больше площади указанной рабочей поверхности, выступает в распределительную камеру. Усилие, создаваемое преобладающим в этой камере давлением, стремится переместить толкатель в направлении закрытия запорного элемента. Распределительная камера сообщается через входной дроссель с находящимся под высоким давлением подводящим топливопроводом, а через обычно задросселированный, соответственно скомбинированный с выходным дросселем выпускной клапан сообщается с находящимся лишь под незначительным давлением трубопроводом слива топлива. При закрытом выпускном клапане в распределительной камере преобладает высокое давление, под действием которого толкатель перемещается против усилия действующего на его расположенную со стороны распылителя рабочую поверхность давления в направлении закрытия запорного элемента, соответственно удерживается в закрытом положении. При открытии выпускного клапана давление в распределительной камере падает, при этом степень падения давления определяется размерами входного дросселя и дроссельным сопротивлением открытого выпускного клапана, соответственно скомбинированного с ним выходного дросселя. В результате давление в распределительной камере при открытом выпускном клапане снижается настолько, что толкатель под действием давления, приложенного к его рабочей поверхности со стороны распылителя форсунки, перемещается в направлении открытия запорного элемента, соответственно удерживается в открытом положении.

Пьезоэлектрические приводы обладают более высоким быстродействием в сравнении с электромагнитными приводами клапанных форсунок. Однако в конструкции подобного пьезоэлектрического привода необходимо учитывать тот факт, что из-за внутренних потерь в пьезоэлементе этого привода возникает тепло, которое необходимо отводить во избежание перегрева пьезоэлектрического привода. Поскольку керамические материалы пьезокерамики обладают низкой теплопроводностью, отвод тепла внутри выполненного в основном из керамического материала исполнительного пьезоэлемента малоэффективен.

Охлаждение пьезоэлектрического привода охлаждающей жидкостью, например топливом, водой, машинным маслом и т.п., также нежелательно, во-первых, из-за опасности короткого замыкания, обусловленной наличием в топливе и машинном масле определенного процента воды, а, во вторых, из-за удорожания всего приводного модуля в связи с применением дорогостоящих уплотнений, которые должны исключать утечку используемой охлаждающей жидкости прежде всего при нагревании пьезоэлектрического привода.

Задачи и преимущества изобретения

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать пьезоэлектрический привод указанного в начале описания типа таким образом, чтобы обеспечить его охлаждение при работе без использования охлаждающих жидкостей, таких как машинное масло, вода или топливо, а также обеспечить возможность его простой сборки без необходимости применения особых уплотнений, таких как используемые при жидкостном охлаждении.

Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что в предлагаемом пьезоэлектрическом приводе верхняя и/или нижняя полости выполнены проточными для прохождения потока охлаждающего воздуха, служащего для охлаждения исполнительного пьезоэлемента.

В выполненном согласно изобретению пьезоэлектрическом приводе для охлаждения исполнительного пьезоэлемента можно использовать сжатый воздух, который в любом случае применяется в безрельсовых транспортных средствах, предназначенных для перевозки грузов, пассажиров и для нетранспортных работ. Небольшого по объему потока воздуха, проходящего через пьезоэлектрический привод, уже достаточно для его эффективного охлаждения, а затраты на его изготовление и сборку сравнительно невелики даже несмотря на наличие присоединительных патрубков для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Кроме того, предлагаемый пьезоэлектрический привод обладает высокой эксплуатационной надежностью, поскольку в нем не используются охлаждающие жидкости, которые могли бы просачиваться наружу.

В одном из вариантов выполнения предлагается подводить поток охлаждающего воздуха в нижнюю полость, которая находится под поперечной перегородкой, расположенной в зоне приводной головки. В этом варианте исполнительный пьезоэлемент и его токоподводы необходимо заключить в эластомерную оболочку или термоусаживаемый рукав, которые защищали бы его от возможно присутствующей в потоке охлаждающего воздуха влаги, которая могла бы вызвать повреждения или короткие замыкания внутри пьезоэлектрического привода. При этом уже не требуется принимать особые меры по влагонепроницаемой герметизации верхней полости относительно проточной для охлаждающего воздуха нижней полости.

В другом варианте предлагается выполнять проточной для охлаждающего воздуха только верхнюю полость над приводной головкой. В этом случае необходимо влагонепроницаемо герметизировать верхнюю полость относительно нижней полости. В этом варианте тепло от двигателя также не достигает исполнительного пьезоэлемента. С этой целью поперечная перегородка, расположенная в зоне приводной головки, уплотнена по своей периферии относительно стенки привода кольцом круглого сечения. Дополнительно исполнительный пьезоэлемент и его соединительные проводники, как и в первом варианте выполнения, в котором поток воздуха проходит через нижнюю полость, могут быть заключены в эластомерную оболочку или термоусаживаемый рукав. Кроме того, над перегородкой можно дополнительно предусмотреть служащее для герметизации эластомерное уплотнительное кольцо, которое фиксируется в заданном положении по своей периферии радиальными выступами или вогнутым кольцевым желобком, выполненными на стенке. Во внутренней зоне уплотнение верхней полости относительно нижней полости можно обеспечить с помощью слоя клея, обладающего высокой теплопроводностью.

В еще одном варианте с перегородкой может быть дополнительно соединена обеспечивающим высокую теплопроводность соединением металлическая охлаждающая пластина, обеспечивающая дополнительное охлаждение за счет своего расположения в верхней полости, через которую проходит поток охлаждающего воздуха.

Вместо упругого уплотнения из эластомерного материала можно использовать и стальную мембрану, которая одновременно обладает высокой теплопроводностью и обеспечивает дополнительный отвод тепла из нижней полости приводного модуля в верхнюю полость, через которую проходит поток охлаждающего воздуха. Такая стальная мембрана может быть плотно и с обеспечением теплопроводности соединена со стенкой приводного модуля с помощью резьбового кольца, зажимающего ее между собой и внутренней стороной этой стенки.

Предлагаемое в изобретение решение наиболее предпочтительно использовать в безрельсовых транспортных средствах, предназначенных для перевозки грузов, пассажиров и для нетранспортных работ и оборудованных системами впрыскивания дизельного топлива с аккумулятором высокого давления и общим распределительным топливопроводом высокого давления. Как уже говорилось выше, в таких транспортных средствах применяется сжатый воздух, небольшое количество которого можно использовать для охлаждения пьезоэлектрического привода.

Другие преимущества и отличительные особенности предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода более подробно рассмотрены ниже на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение в продольном разрезе предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода, выполненного по первому варианту,

на фиг.2 - схематичное изображение также в продольном разрезе предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода, выполненного по второму варианту, и

на фиг.3А, 3Б, 3В и 3Г - предпочтительные примеры выполнения предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода, выполненного по второму варианту согласно фиг.2.

Варианты выполнения изобретения

На фиг.1 в продольном разрезе показана часть предлагаемого в изобретении пьезоэлектрического привода, который выполнен по первому варианту. Этот пьезоэлектрический привод имеет исполнительный пьезоэлемент 1, который может иметь вид многослойного пакета, состоящего из расположенных один над другим слоев пьезоэлектрического материала и расположенных между ними металлических, соответственно токопроводящих слоев, служащих электродами, и который упруго зажат с его торцовых сторон двумя проходящими слева и справа от него предварительно растянутыми ленточными пружинами 12 между подробно не показанным нижним неподвижным основанием и подвижной в осевом направлении верхней пластиной, которая расположена в зоне приводной головки 3 и выполнена в виде перегородки 8. Весь приводной модуль ограничен металлической стенкой 2.

При приложении к электродам исполнительного пьезоэлемента 1 пульсирующего электрического напряжения он выполняет аналогичные импульсные возвратно-поступательные движения, сопровождающиеся изменением расстояния между его торцовыми сторонами, зажатыми между верхней подвижной пластиной и нижним основанием ленточными пружинами 12. Эти возвратно-поступательные движения передаются (см. стрелку S) через поршень в приводной головке 3 на иглу клапана (не показана). Следует также отметить, что токопроводы к электродам, из которых на фиг.1 виден только один, проходят вниз к детально не показанным соединительным клеммам. Помимо этого подвижная в осевом направлении перегородка 8 делит окружающее исполнительный пьезоэлемент 1 промежуточное пространство на нижнюю полость 10, в которую непосредственно заключен исполнительный пьезоэлемент 1, и расположенную над приводной головкой 3 верхнюю полость 11.

В показанном на фиг.1 варианте выполнения на нижнем участке стенки 2 приводного модуля имеется впускное отверстие 16 для воздуха, через которое поступает поток охлаждающего воздуха L_вх, и выпускное отверстие 17 для воздуха, через которое выходит поток охлаждающего воздуха L_вых. Как показано на чертеже, впускное 16 и выпускное 17 отверстия для охлаждающего воздуха расположены с противоположных сторон стенки 2 приводного модуля со смещением в осевом направлении друг относительно друга. Благодаря такому расположению указанных отверстий обеспечивается наиболее эффективное обтекание воздухом исполнительного пьезоэлемента 1. Сам исполнительный пьезоэлемент 1, включая его токоподводы к электродам, защищен эластомерной оболочкой или термоусаживаемым рукавом 5, 15 от непосредственного действия содержащейся в воздухе влаги.

Тем не менее слой эластомерного покрытия 5, 15 не может надежно защитить от влаги исполнительный пьезоэлемент привода, когда начинается более интенсивная конденсация воды.

Поскольку не предусмотрено никаких особых мер для герметизации верхней полости 11 относительно нижней полости 10, охлаждающий воздух может в небольших количествах проникать и в верхнюю полость 11.

На фиг.2 показан предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод, выполненный по второму варианту. У этого пьезоэлектрического привода, который на фиг.2 также показан в продольном разрезе, нижняя полость 10 влагонепроницаемо уплотнена относительно верхней полости 11 и поэтому поток охлаждающего воздуха проходит только через верхнюю полость 11. С этой целью в стенке 2 приводного модуля предусмотрено впускное отверстие 16 для охлаждающего воздуха и напротив него - выпускное отверстие 17 для охлаждающего воздуха, через которые охлаждающий воздух соответственно поступает внутрь приводного модуля в виде потока охлаждающего воздуха L_вх и затем после охлаждения соответствующих элементов выходит в виде потока охлаждающего воздуха L_вых. При этом воздушный поток защищает также исполнительный пьезоэлемент 1 от поступления в него отводимого от двигателя тепла.

Для герметизации нижней полости 10 относительно верхней полости 11 перегородка 8 в зоне приводной головки 3 уплотнена кольцом 6 круглого сечения, которое прилегает к внутренней стороне стенки 2. Такое уплотнение в виде кольца 6 круглого сечения допускает осевое перемещение перегородки 8 и предотвращает скапливание влаги непосредственно в зоне расположения исполнительного органа, т.е. в зоне исполнительного пьезоэлемента 1.

Зазоры 4 в тех местах, где зажимные пружины 12 проходят сквозь подвижную перегородку 8, герметизированы клеем.

В рассматриваемом случае так же, как и в варианте по фиг.1, и исполнительный пьезоэлемент 1, и выводы электродов предпочтительно заключены в эластомерные оболочки 5, 15 соответственно. Однако вместо такой эластомерной оболочки для герметизации и изоляции можно использовать также эластичный лак или термоусаживаемый рукав.

На фиг.3А в увеличенном масштабе показан расположенный вокруг приводной головки 3 участок с усовершенствованной по сравнению с вариантом по фиг.2 конструкцией. Для повышения эффективности уплотнения поперечной перегородки 8, обеспечиваемого кольцом 6 круглого сечения, согласно варианту по фиг.3А-3В предусмотрено эластомерное уплотнительное кольцо 18, положение которого в осевом направлении зафиксировано радиальными выступами 19 в стенке приводного модуля. Согласно фиг.3А такое эластомерное уплотнительное кольцо может быть выполнено в виде комбинированного элемента, состоящего из расположенного радиально внутри металлического кольца 18а, расположенного радиально снаружи металлического кольца 18b и заключенного между ними эластомерного кольца 18с. Внутри в зоне приводной головки герметизация обеспечивается слоем 20 клея, обладающего высокой теплопроводностью.

Для более эффективного отвода тепла с внутренним металлическим кольцом 18а дополнительно соединена обеспечивающим высокую теплопроводность соединением металлическая охлаждающая пластина 21. Эта охлаждающая пластина 21 выступает в верхнюю полость 11, через которую проходит поток охлаждающего воздуха.

На фиг.3Б показан вариант, в котором охлаждающая пластина 21 выполнена за одно целое с эластомерным уплотнительным кольцом 18, состоящим из трех элементов 18а, 18b, 18с.

На фиг.3В показан другой вариант, в котором в уплотнении, обеспечиваемом эластомерным кольцом 18, которое выполнено согласно фиг.3А, не имеется жесткого внутреннего кольца как у сальника. Функции внутреннего кольца 18а при этом выполняет приводная головка 3.

И, наконец, в показанном на фиг.3Г варианте для уплотнения нижней полости 10 относительно верхней полости 11 вместо эластомерного уплотнительного кольца использована стальная мембрана 22. Такая металлическая мембрана 22 обладает исключительно высоким уплотняющим эффектом и одновременно высокой теплопроводностью. Мембрана 22 согласно фиг.3Г жестко крепится к стенке 2 приводного модуля резьбовым кольцом 23, но обеспечивает тем не менее осевую подвижность приводной головки. При этом мембрана приварена внутри к приводной головке 3.

Благодаря использованию предлагаемой в изобретении охлаждающей среды, т.е. проходящего через нижнюю полость 10 и/или верхнюю полость 11 потока охлаждающего воздуха, при необходимости в сочетании с дополнительными мерами, такими как наличие охлаждающей металлической пластины и обеспечивающего высокую теплопроводность соединения этой охлаждающей металлической пластины с перегородкой 8 в зоне приводной головки 3, соответственно наличие герметичной стальной мембраны 22 по фиг.3Г, предлагаемый в изобретении пьезоэлектрический привод может эффективно применяться для управления клапанными форсунками, которые используются для впрыскивания дизельного топлива в системах впрыскивания топлива с аккумулятором высокого давления и общим распределительным топливопроводом высокого давления. Так, в частности, у безрельсовых транспортных средств, предназначенных для перевозки грузов, пассажиров и для нетранспортных работ можно использовать для охлаждения пьезоэлектрического привода небольшую часть применяемого в них в любом случае сжатого воздуха. При этом небольшого количества воздуха уже достаточно для эффективного охлаждения привода, а затраты на его изготовление и сборку сравнительно невелики даже несмотря на наличие присоединительных патрубков для подвода и отвода охлаждающего воздуха. Кроме того, предлагаемый пьезоэлектрический привод обладает высокой эксплуатационной надежностью, поскольку в нем не используются охлаждающие жидкости, как, например, топливо, машинное масло или вода. Во втором варианте выполнения, в котором подача охлаждающего воздуха предусмотрена только в верхнюю полость приводного модуля, привод надежно защищен от содержащейся в воздухе влаги, а тепло от двигателя не достигает при работе пьезоэлектрического привода.

Пьезоэлектрический привод предназначен для управления распределительными клапанами или клапанными форсунками двигателей внутреннего сгорания транспортных средств. Пьезоэлектрический привод имеет исполнительный пьезоэлемент. Последний окружен стенкой с образованием промежуточного пространства. Последнее разделено на верхнюю и нижнюю полости подвижной в осевом направлении поперечной перегородкой. Верхняя и/или нижняя полости выполнены проточными для прохождения потока охлаждающего воздуха (L_вх, L_вых). Охлажденный воздух служит для охлаждения исполнительного пьезоэлемента. Окружающая пьезоэлемент стенка имеет на участке расположения нижней полости впускное отверстие для воздуха и выпускное отверстие для воздуха. Выпускное отверстие для воздуха расположено с противоположной стороны от впускного отверстия для воздуха и смещено в осевом направлении относительно последнего. Исполнительный пьезоэлемент и его токоподводы защищены от влаги в зоне проточной для воздуха нижней полости эластомерной оболочкой. Обеспечивается охлаждение пьезоэлектрического элемента при работе пьезоэлектрического привода без применения охлаждающей жидкости. 16 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Пьезоэлектрический привод, предназначенный прежде всего для управления распределительными клапанами или клапанными форсунками двигателей внутреннего сгорания транспортных средств и имеющий исполнительный пьезоэлемент (1), который выполнен, в частности, в виде многослойного пакета, состоящего из расположенных один над другим слоев пьезоэлектрического материала и расположенных между ними металлических, соответственно токопроводящих слоев, служащих электродами, при этом исполнительный пьезоэлемент (1) окружен стенкой (2) с образованием промежуточного пространства (10, 11), разделенного на верхнюю (11) и нижнюю (10) полости подвижной в осевом направлении поперечной перегородкой (8), которая расположена в зоне приводной головки (3), отличающийся тем, что верхняя (11) и/или нижняя (10) полости выполнены проточными для прохождения потока охлаждающего воздуха (L_вх, L_вых), служащего для охлаждения исполнительного пьезоэлемента (1).2. Пьезоэлектрический привод по п.1, отличающийся тем, что стенка (2) имеет на участке расположения нижней полости (10) впускное отверстие (16) для воздуха и выпускное отверстие (17) для воздуха.3. Пьезоэлектрический привод по п.1 или 2, отличающийся тем, что выпускное отверстие (17) для воздуха расположено с противоположной стороны от впускного отверстия (16) для воздуха и смещено в осевом направлении относительно последнего.4. Пьезоэлектрический привод по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что исполнительный пьезоэлемент (1), включая его токоподводы, защищен от влаги в зоне проточной для воздуха нижней полости (10) эластомерной оболочкой (5, 15) соответственно термоусаживаемым рукавом или слоем лака.5. Пьезоэлектрический привод по п.1, отличающийся тем, что проточной для охлаждающего воздуха выполнена только верхняя полость (11) над приводной головкой (3).6. Пьезоэлектрический привод по п.5, отличающийся тем, что стенка (2) имеет на участке верхней полости (11) впускное отверстие (16) для воздуха и выпускное отверстие (17) для воздуха.7. Пьезоэлектрический привод по п.5 или 6, отличающийся тем, что нижняя полость (10) влагонепроницаемо уплотнена относительно верхней полости (11).8. Пьезоэлектрический привод по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что поперечная перегородка (8) уплотнена по своей периферии относительно стенки (2) кольцом (6) круглого сечения.9. Пьезоэлектрический привод по любому из пп.5-8, отличающийся тем, что исполнительный пьезоэлемент (1), включая его токоподводы, для защиты от влаги заключен в нижней полости (10) в эластомерную оболочку (5, 15) соответственно термоусаживаемый рукав или покрыт слоем лака.10. Пьезоэлектрический привод по любому из пп.5-9, отличающийся тем, что для уплотнения верхней полости (11) относительно нижней полости (10) над поперечной перегородкой (8) дополнительно предусмотрено эластомерное уплотнительное кольцо (18).11. Пьезоэлектрический привод по п.10, отличающийся тем, что эластомерное уплотнительное кольцо (18) зафиксировано в осевом направлении выполненными в стенке радиальными выступами (19) или вогнутым кольцевым желобком.12. Пьезоэлектрический привод по п.10 или 11, отличающийся тем, что внутри верхняя полость (11) уплотнена относительно нижней полости слоем (20) клея, обладающего высокой теплопроводностью.13. Пьезоэлектрический привод по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поперечная перегородка (8) выполнена из металла и соединена обеспечивающим высокую теплопроводность соединением с выступающей в верхнюю полость (11) охлаждающей металлической пластиной (21).14. Пьезоэлектрический привод по п.13, отличающийся тем, что охлаждающая металлическая пластина и эластомерное уплотнительное кольцо образуют цельный узел.15. Пьезоэлектрический привод по любому из пп.5-9, отличающийся тем, что дополнительно над поперечной перегородкой (8) предусмотрена стальная мембрана (22), которая упруго герметизирует верхнюю полость (11) относительно нижней полости (10).16. Пьезоэлектрический привод по п.15, отличающийся тем, что стальная мембрана (22) с геометрическим и силовым замыканием и с обеспечением высокой теплопроводности жестко закреплена резьбовым кольцом (23) с внутренней стороны стенки (2).17. Пьезоэлектрический привод по п.15, отличающийся тем, что стальная мембрана (22) внутри приварена к приводной головке (3).