CN101113708A - 用于直喷式内燃机的燃料喷射器 - Google Patents

用于直喷式内燃机的燃料喷射器 Download PDF

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Abstract

燃料喷射器(1)包括：喷射阀(7)，装有可移动指针(15)以调节燃料流量；致动器(6)，用于使指针(15)移动；注射喷嘴(3)；支撑体(4)，具有管状并显示出进料槽(5)；密封体(17)，设有喷射阀(7)的阀座(16)并包括圆盘形压盖件(18)和导向件(19)，压盖件较低且流体密封地封闭进料槽(5)并被注射喷嘴(3)穿过，导向件从压盖件(18)处突出，具有管状，并且指针(15)容纳于其中；外部燃料导槽(20)，限定在进料槽(5)与导向件(19)之间；多个进料通孔(21)，形成在导向件(19)的下部中并通向阀座(16)；以及挡板头(22)，具有基本为球形的调节区，其与指针(15)一体形成，从外部接合导向件(19)。

Description

用于直喷式内燃机的燃料喷射器
技术领域
本发明涉及用于直喷式内燃机的燃料喷射器。
本发明发现了电磁燃料喷射器方面的有利应用，在不丧失普遍性的前提下在以下描述中对电磁燃料喷射器进行清楚的介绍。
背景技术
电磁燃料喷射器包括圆柱形管体，该圆柱形管体呈现有中央进料槽，该中央进料槽用作燃料管道并以通过喷射阀调节的注射喷嘴结束，该喷射阀由电磁型致动器(actuator)控制。喷射阀装有指针(needle)，该指针刚性地连接于电磁型致动器的可移动保持器，从而电磁型致动器的动作使得该指针克服弹簧的偏压在注射喷嘴的关闭位置与打开位置之间位移，该弹簧趋向于将指针保持在关闭位置中。阀座被限定于密封件中，该密封件形成为圆盘形的、较低地且流体密封地封闭该支撑体的中央槽并穿过注射喷嘴。
专利申请EP 1635055A1描述了一种电磁燃料喷射器，其中导向件从密封件处突出(rise from)，所述导向件具有管状形状、其中容纳有指针以限定指针自身的下部导向件、以及显示出比支撑体中央槽的内径小的外径以便于限定加压燃料从中流过的外部环形槽。在导向件的下部中具有四个进料通孔，它们通向阀座以允许加压燃料朝向阀座本身流动。指针以基本为球形的挡板头(shutter head)结束，该挡板头适于流体密封地靠在阀座上且滑动地保持在导向件的内圆周表面上以便于在其移动时被引导。注射喷嘴为“多孔”型的，即，该注射喷嘴由多个喷射通孔限定，该多个喷射通孔是从阀座下游形成的腔室中获得的；以这种方式，通过适当地定向各个喷射孔可获得用于各种应用的注射喷嘴的最佳几何形状。
试验测试已证明，上述电磁喷射器的驱动时间-所喷射的燃料量曲线(即，将驱动时间与所喷射的燃料量相联系的法则)基本上是非常线性的，但显示出初始梯级(step)(即，显示出对于短驱动时间以及由此对于少量喷射燃料的梯级的增加)；而且，这种初始梯级的范围与燃料供给压力成较高的比例。
因此，上述电磁喷射器可被用在直喷式奥托循环内燃机(即，被供以汽油、LPG、甲烷等)，其中燃料供给压力是有限的(低于200-250巴)并且喷射器没有被正常驱动以喷射少量燃料。然而，上述电磁喷射器不能用在小型直喷式狄塞尔循环内燃机(即，被供以柴油燃料等)，其中燃料的供给压力相当高(高达800-900巴)，并且喷射器被恒定地驱动以便于在主喷射之前执行一系列引导喷射。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于直喷式内燃机的燃料喷射器，所述燃料喷射器没有上述缺点，并且尤其易于实现且可节省成本。
根据本发明，一种燃料喷射器包括：
喷射阀，装有可移动指针以调节燃料流量；
致动器，用于使得指针在喷射阀的关闭位置与打开位置间移位；
注射喷嘴，显示有从布置在喷射阀下游的喷射腔室中形成的多个喷射通孔；
支撑体，其具有管状形状并显示出进料槽；
密封体，其设有喷射阀的阀座并包括圆盘形压盖件以及导向件，该圆盘形压盖件较低地且流体密封地封闭进料槽并被注射喷嘴穿过，该导向件从压盖件处突出，具有管状形状，并且指针容纳于其中；
外部燃料导槽，限定在进料槽与导向件之间，该导向件显示出小于进料槽内径的外径；
多个进料通孔，形成在导向件的下部中并通向阀座；以及
挡板头，具有基本为球形的调节区，该挡板头与指针一体形成，从外部接合导向件并适于流体密封地靠在阀座上；
燃料喷射器的特征在于，进料孔的尺寸被构造成使得仅当喷射阀被关闭时所产生的第一热压处理力(autoclave force)的强度等于仅当喷射阀被打开时所产生的第二热压处理力。
附图说明
下面将参照示出非限制性实施例实例的附图描述本发明，其中：
图1是根据本发明所实现的燃料喷射器的侧视和局部剖视的示意图；以及
图2以放大比例示出了图1中喷射器的喷射阀。
具体实施方式
在图1中，标号1表示作为整体的燃料喷射器，其示出基本关于纵向轴2对称的圆柱形并适于被控制以便于从注射喷嘴3中喷射燃料，该注射喷嘴3直接通向气缸的燃烧室(未示出)。喷射器1包括支撑体4，该支撑体具有沿纵向轴2具有变化截面的圆柱形管状，并显示出沿支撑体4本身的整个长度延伸的进料槽5，以朝向注射喷嘴3供给加压燃料。支撑体4在其上部处容纳电磁致动器6且在其下部处容纳喷射阀7；在使用中，喷射阀7由电磁致动器6驱动以调节流过注射喷嘴3的燃料的流量，在喷射阀7本身处获得注射喷嘴3。
电磁致动器6包括电磁体8，该电磁体被容纳在支撑体4内的固定位置中并且当被通电(energise)时适于使得铁磁体材料保持器9克服弹簧10的偏压沿轴线2从喷射阀7的关闭位置移位到打开位置，该弹簧10趋向于将保持器9保持在喷射阀7的关闭位置中。具体地，电磁体8包括线圈11和磁性电枢，该线圈由驱动电子单元(未示出)供电并相对于支撑体4被容纳在外部，该磁性电枢被容纳在支撑体4内部并显示出中心孔13以允许燃料朝向注射喷嘴3流动。捕获(catching)体14在磁性电枢12的中心孔13内的固定位置中被驱动，所述捕获体显示出管状圆柱形形状(可能沿母线开口)，以允许燃料朝向注射喷嘴3流动，并且该捕获体适于使弹簧10相对于保持器9保持压缩。
保持器9是移动式设备的一部分，其还包括挡板或指针15，该挡板或指针具有与保持器9一体形成的上部和与喷射阀7的阀座16(图2中示出)结合的下部，以便以公知方式调节流过注射喷嘴3的燃料的流量。
如图2中所示的，阀座16由保持体17限定，该保持体17是单一的并包括圆盘形压盖件18，该压盖件较低地且流体密封地封闭支撑体4的进料槽5并由注射喷嘴3穿过。导向件19从压盖件18处突出，所述导向件具有管状、将指针容纳于其中以便限定指针15本身的下部导向，并且该导向件显示出小于支撑体4的进料槽5的内径的外径，从而限定加压燃料可从中流过的外部环形槽。
在导向件19的下部中具有四个进料通孔21(在图2中只示出了其中的两个)，它们通向阀座以允许加压燃料朝向阀座16本身流动。进料孔21或者可相对于纵向轴2交错排列以便不会朝向纵向轴2本身聚合以及在使用中不会对相应的燃料流施以涡流，或者进料孔21可朝向纵向轴2聚合。如图2中所示的，进料孔21被布置成相对纵向轴2倾斜70°(通常更多地，60°至80°)角；根据另一实施例(未示出)，进料孔21与纵向轴2形成90°的角。
指针15以基本为球形的挡板头22结束，该挡板头22适于流体密封地靠在阀座16上；可替换地，挡板头22可基本为圆柱形形状并仅具有球形形状的邻接区。而且，挡板头22滑动地保持在导向件19的内表面23上以便于在其沿纵向轴2移动时被引导。注射喷嘴3由多个喷射通孔24限定，所述喷射通孔从布置在阀座16下游的喷射室25中获得；例如，喷射室25可具有半球形形状、截锥形状或任何其它形状。
如图1中所示的，保持器9是单块件并包括环形件26和盘状件27，该盘状件较低地封闭环形件26并显示出适于接收指针15上部的中央通孔28和适于允许燃料朝向注射喷嘴3流动的多个外围通孔29(在图1仅示出了其中的两个)。盘状件27的中部被适当地形成为可容纳弹簧10的下端并将其保持在适当位置中。优选地，指针15借助于环状焊缝整体固定于保持器9的盘状件27。
保持器9的环形件26显示出基本上等于支撑体4上进料槽5相应部分的内径的外径；这样，保持器9可相对于支撑体4沿纵向轴2滑动，但不会相对于支撑体4沿纵向轴2横向移动。由于指针15刚性地连接于保持器9，因此清楚的是，保持器9还起到指针15的上部导向的作用；因此，指针15在上部由保持器9引导而在下部由导向件19引导。
根据替换实施例(未示出)，抗回弹装置连接于保持器9的盘状件27的下表面，该抗回弹装置适于当指针15从喷射阀7的打开位置移位至关闭位置时消弱指针15的挡板头22相对于(against)阀座16的回弹。
在使用中，当电磁体8被断电时，保持器9不被磁性电枢12吸引，并且弹簧10的弹性力向下推动保持器9以及指针15；在这种情况下，指针15的挡板头22被压在喷射阀7的阀座16上，将注射喷嘴3与加压燃料隔离开。当电磁体8被通电时，保持器9克服弹簧10的弹性偏压被磁性电枢12磁力地吸引，并且保持器9随指针15一起向上移动，得以与磁性电枢12本身相接触；在这种情况下，指针15的挡板头22相对于喷射阀7的阀座16升高，并且加压燃料可流过注射喷嘴3。
如图2中所示的，当指针15的挡板头22相对于阀座16升高时，燃料通过外部环形槽20到达注射喷嘴3的喷射室25，之后穿过四个进料孔21；换句话说，当挡板头22相对于阀座16升高时，燃料到达注射喷嘴3的搭叠(lap)在导向件19整个外侧表面上的喷射室25。
如图2中所示的，当喷射阀7处于关闭位置中时，挡板头22被推压在阀座16上；因此，加压燃料存在于导向件19的上部19a和导向件19的下部19b两者中，且加压燃料未存在于喷射室25中。换句话说，相对于喷射室25布置在外部的挡板头22的上部与加压燃料相接触，而布置在喷射室25内部的挡板头22的下部未与加压燃料相接触并且处于与存在于注射喷嘴3外部的环境压力Pa相等的压力(通常远低于燃料供给压力Pc)下。在这种情况下，在挡板头22上产生热压处理力F1(即，液压起源(hydraulic origin)力)，该力趋向于向下推动挡板头22并具有由下面的公式提供的强度：
F1＝(Pc-Pa)×A1
F1：热压处理力；
Pc：燃料供给压力；
Pa：当喷射阀7处于关闭位置时，存在于注射喷嘴3外部并且也存在于喷射室25内部的环境压力；
A1：挡板头22的密封区的总面积。
显然，当喷射阀7被驱动至打开位置(在该位置中挡板头22相对于阀座16升高)中时上述热压处理力F1被消除，这是因为，在这样的情况中，加压燃料也存在于喷射室25中。从上述描述中，显然的是，为了打开喷射阀7，即，为了使挡板头22向上移动，电磁体8必须在保持器9上产生足够高的磁引力以克服弹簧10产生的弹力和热压处理力F1两者。因此，为了关闭喷射阀7，即，为了使喷射阀7向下移动，作用在保持器9上且由电磁体8产生的磁引力必须下降到低于仅由弹簧10产生的弹力的数值，这是因为一旦喷射阀7被打开，热压处理力F1就会消除了。因此，在短喷射时间的情况下，喷射阀7的关闭速度减慢，这是因为为了打开喷射阀7，由于一旦喷射阀7被打开就会消除的热压处理力F1的作用，电磁体8必须克服明显高于关闭时发挥作用的总力的总力。换句话说，电磁体8所产生的磁引力的变化速率受不可避免的磁惯性限制，因此电磁体8需要一定时间来将打开所需的磁引力(至少等于弹簧10产生的弹力加上热压处理力F1)减小至关闭所需的数值(低于仅由弹簧10产生的弹力)。
喷射阀7关闭过程中的这种减速在燃料喷射器1的驱动时间-所喷射的燃料量曲线(即，将驱动时间与所喷射的燃料量相联系的法则)中导致初始梯级(即，所述曲线显示出对于短驱动时间以及对于少量喷射燃料的梯级增加)；而且，所述初始梯级实质与燃料供给压力Pc成较高的比例。
为了消除上述问题，观察到进料孔21的尺寸可被构造成可产生另一热压处理力F2，该热压处理力F2仅当喷射阀7被打开时才产生，并且显示出与热压处理力F1相同的强度和相同的方向。这样，当喷射阀7被关闭时弹簧10产生的弹力和热压处理力F1作用在挡板头22上，而当喷射阀7被打开时弹簧10产生的弹力和另一热压处理力F2作用在挡板头22上；因此，通过打开喷射阀7，挡板头22上的总的力平衡未改变，并且对于短驱动时间来说喷射阀7的关闭甚至也未减慢。显然，另一热压处理力F2与热压处理力F1越近似，积极的效果就越好。
另一热压处理力F2可通过在喷射阀7处于打开位置中时在存在于导向件19的上部19a中的燃料与存在于导向件的下部19b中的燃料之间形成适当的压力差而产生。所述压力差可通过形成得具有适当尺寸的进料孔21而产生；当然，通过形成得具有适当尺寸的进料孔21，当燃料朝向注射喷嘴3流过进料孔21本身时，进料孔21引起适当的局部负载损失(压降)。应着重强调的是，进料孔21引起的负载损失是动态的，即，只有当燃料在移动并在某一速度下流过进料孔21本身并朝向注射喷嘴3流动时才存在；因此，仅当喷射阀7处于关闭位置中时另一热压处理力F2才存在。
趋向于向下推动挡板头22的另一热压处理力F2具有由下面的公式提供的强度：
F2＝(Pc-P1)×A2
P1＝Pc-ΔP21
F2＝ΔP21×A2
F2：另一热压处理力；
Pc：存在于导向件19的上部19a中的燃料的供给压力；
P1：存在于导向件19的下部19b中的燃料的压力；
A2：挡板头22与导向件19之间的接触区的总面积；
ΔP21：通过进料孔21的局部负载的损失确定的压降。
然而应着重强调的是，用于计算另一热压处理力F2的强度的上述公式是近似的，因为该公式忽略了由于燃料流过挡板头22与阀座16之间所导致的局部压力损失(局部负载损失)。通过以下事实来证明这种近似值是正确的，即，挡板头22与导向件19之间的接触区域的总面积A2远大于(显示大于10倍)挡板头22的密封区的总面积A1，因此降低了由于燃料流过挡板头22与阀座16之间所导致的局部压力损失的总影响。
假定另一热压处理力F2等于热压处理力F1(F1＝F2)，并且假设注射喷嘴3外部(以及当喷射阀7处于关闭位置中时存在于喷射室25内部)的环境压力Pa为零(即，相对于燃料供给压力Pc来说可忽略不计)，结果：
F1＝Pc×A1
F2＝ΔP21×A2
Pc×A1＝ΔP21×A2
ΔP21＝Pc×A1/A2
因此，从燃料供给压力Pc、挡板头22的密封区的总面积A1以及挡板头22与导向件19之间的接触区的总面积A2，可计算出使得热压处理力F1与F2平衡所需的由通过进料孔21的局部负载损失确定的压降ΔP21。应着重强调的是，燃料供给压力Pc、面积A1、面积A2是喷射器1的设计数据，它们是预先已知且是恒定的；而且，面积A2远大于(显示大于10倍)面积A1，因此压降ΔP21将为燃料供给压力Pc的包含部分。
在圆柱形孔(即，诸如上述进料孔21或喷射孔24)的情况中，可使用以下公式(该公式是为进料孔21写出的但也可容易地调节为用于喷射孔24)简单地计算出压降：
ΔP21＝Ke×A21^2
ΔP21：通过进料孔21的局部负载损失确定的压降；
Ke：取决于进料孔21的流量系数和进料孔21本身的通路截面的系数；
A21：通过进料通孔21的燃料的通路截面面积的总和。
应着重注意的是，为了保持存在于导向件19的上部19a中的燃料与存在于导向件19的下部19b中的燃料之间的适当压力差，重要的是，挡板头22在没有明显间隙的情况下与导向件19接合，以避免燃料从上部19a泄漏到下部19b。挡板头22与导向件19之间不存在明显间隙对于导向件19本身的主要功能来说也是有利的，即，用于引导挡板头22沿纵向轴2的移动。
对上述燃料喷射器1的性能的复杂理论和实验分析引起相对于上面提出的尺寸(dimensioning)公式的更精准的进料孔21的另一尺寸公式的确定。在所有情况中，基于另一尺寸公式的原始假设也是基于作用在挡板头22上的热压处理力F1与F2的总和总是恒定的。
另一尺寸公式假定为：
ΔP24/ΔP21＝K×((D2^2/D1^2)-1)
ΔP21：通过进料孔21的局部负载损失确定的压降；
ΔP24：通过喷射孔24的局部负载损失确定的压降；
D1：挡板头22的密封区的直径；
D2：挡板头22与导向件19之间的接触区的直径；
K：通过实验确定的与燃料喷射器1的结构特征关联的恒量(通常接近于1，更通常地，0.7至1.3)。
作为实例，在市面销售的上述类型燃料喷射器1中获得两个进料孔21(每个均具有0.270mm的直径和等于0.8的流量系数)和五个喷射孔24(每个均具有0.120mm的直径和等于0.722的流量系数)；对于该市面销售的燃料喷射器1，计算出(以及通过实验测试出)在等于800巴的燃料供给压力Pc下，热压处理力F1(燃料喷射器1关闭)等于48.74N，另一热压处理力F2(燃料喷射器1打开)等于48.78N。
上述燃料喷射器1显示出易于实现且可节约成本地实现的多个优点以及线性的无梯级的驱动时间-所喷射的燃料量曲线(即，将驱动时间与所喷射的燃料量相联系的法则)，还适用于短驱动时间(即，对于少量喷射燃料)。因此，有利地，上述燃料喷射器1也可用在小型直喷式狄塞尔循环内燃机(即，被供以柴油燃料等)。
应着重强调的是，上述燃料喷射器1与相似的已知燃料喷射器(例如，专利申请EP1635055A1中所述类型的燃料喷射器)之间的唯一差别是进料孔21的具体尺寸；因此，源于相似的已知燃料喷射器(例如，专利申请EP1635055A1中所述类型的燃料喷射器)，燃料喷射器1的结构特别简单且节约成本。

Claims (13)

1.一种燃料喷射器(1)包括：
喷射阀(7)，装有可移动指针(15)以调节燃料流量；
致动器(6)，适于使得所述指针(15)在所述喷射阀(7)的关闭位置与打开位置之间移动；
注射喷嘴(3)，显示有从设置在所述喷射阀(7)下游的喷射腔室(25)形成的多个喷射通孔(24)；
支撑体(4)，其具有管状并显示出进料槽(5)；
密封体(17)，其设有喷射阀(7)的阀座(16)并包括圆盘形压盖件(18)以及导向件(19)，所述圆盘形压盖件较低地且流体密封地封闭所述进料槽(5)并被所述注射喷嘴(3)穿过，所述导向件从所述压盖件(18)处突出，具有管状，且
所述指针(15)容纳于其中；
外部燃料导槽(20)，限定在所述进料槽(5)与所述导向件(19)之间，所述导向件显示出小于所述进料槽(5)内径的外径；
多个进料通孔(21)，形成在所述导向件(19)的下部中并通向阀座(16)；以及
挡板头(22)，具有基本为球形的调节区，所述挡板头与所述指针(15)一体形成，从外部接合所述导向件(19)并适于流体密封地靠在所述阀座(16)上；
所述燃料喷射器(1)，其特征在于，所述进料孔(21)的尺寸被构造成使得仅当喷射阀(7)被关闭时所产生的第一热压处理力(F1)的强度等于仅当喷射阀(7)被打开时所产生的第二热压处理力(F2)。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述进料孔(21)的尺寸被构造成当燃料朝向注射喷嘴(3)流过进料孔(21)本身时，产生局部压降(ΔP)，强度由以下公式提供：
ΔP21＝Pc×A1/A2
ΔP21：进料孔(21)中的局部压降；
Pc：燃料供给压力；
A1：挡板头(22)的密封区的总面积；
A2：挡板头(22)与导向件(19)之间的接触区的总面积。
3.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述进料孔(21)的尺寸根据以下公式确定：
ΔP24/ΔP21＝K×((D2^2/D1^2)-1)
ΔP21：通过进料孔(21)的局部负载损失确定的压降；
ΔP24：通过喷射孔(24)的局部负载损失确定的压降；
D1：挡板头(22)的密封区的直径；
D2：挡板头(22)与导向件(19)之间的接触区的直径；
K：与所述燃料喷射器(1)的结构特征关联的实验恒量。
4.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，存在具有0.270mm直径的两个进料孔(21)和具有0.120mm直径的五个喷射孔(24)。
5.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述挡板头(22)在没有明显间隙的情况下与导向件(19)接合，以避免燃料从所述导向件(19)的上部(19a)泄漏到其下部(19b)。
6.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述导向件(19)的所述进料孔(21)与所述喷射器(1)的纵向轴(2)形成60°至80°的角。
7.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述进料孔(21)与所述喷射器(1)的纵向轴(2)形成90°的角。
8.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述进料孔(21)相对于所述喷射器(1)的纵向轴(2)交错排列以便不会朝向所述纵向轴(2)本身聚合以及不会对相应的燃料流动施以涡流。
9.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述进料孔(21)朝向所述喷射器(1)的纵向轴(2)聚合。
10.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述挡板头(22)显示基本的球形形状。
11.根据权利要求1所述的燃料喷射器(1)，其中，所述致动器(6)包括弹簧(10)，所述弹簧将所述指针(15)保持在关闭位置中。
12.根据权利要求11所述的燃料喷射器(1)，其中，所述致动器(6)是电磁致动器，并且包括线圈(11)、固定的磁性电枢(12)、以及保持器(9)，所述保持器克服所述弹簧(10)的偏压被磁力地吸引于所述磁性电枢(12)并机械地连接于所述指针(15)。
13.根据权利要求12所述的燃料喷射器(1)，其中，所述保持器(9)包括环形件(26)和盘状件(27)，所述盘状件较低地封闭所述环形件(26)并显示出适于接收所述指针(15)上部的中央通孔(28)和适于允许燃料朝向所述注射喷嘴(3)流动的多个外围通孔(29)。
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