CN101182927B - 气体燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括配置为接收来自燃料导管的加压气体燃料的燃料通道，及与该燃料通道流体连通的喷嘴。该燃料喷射器还包括具有开启位置及关闭位置的轴针，其中在轴针处于开启位置时，通过喷嘴供给加压气体燃料，而在轴针处于关闭位置时，基本上阻止加压气体燃料的引入。支撑件使轴针与喷嘴对齐。轴针控制器配置为选择性地在关闭位置和开启位置之间移动轴针。

Description

气体燃料喷射器
技术领域
本发明涉及气体燃料喷射器，更特别地，涉及包括用于使轴针与燃料喷射器喷嘴对齐的悬臂支撑件的气体燃料喷射器。
背景技术
内燃发动机将燃料中的化学能转化为机械能。作为转化的一部分，可以燃烧燃料，从而使热的燃烧产物在发动机内膨胀。燃烧产物的膨胀可用于移动发动机的机械组件，如活塞。燃烧反应可以有若干种产物或排放物，其中的某些可能是不期望的。例如，在将碳氢化合物用作燃料时，燃烧产物可以包括HC、CO、CO2及NOx。
为了减少排放，已做出各种努力以便使用基本上无碳的氢而不是碳氢化合物作为燃烧燃料。在将氢(H2)用作燃料时，不存在大量的HC、CO或CO2排放，因为这样的燃料不含可能转化为HC、CO或CO2的碳。因此，氢燃料目前被视为环保发动机很好的燃料选择。
发明人在此认识到，在将氢用作燃烧燃料时，难以实现期望的空燃比。特别是，相对于汽缸中的燃料量，难以引入足够的空气到汽缸中。不像常规的液体燃料，氢气会占据汽缸中相当大的体积，从而限制给定的压力下可用于空气的体积。
其他人已尝试通过使用直接汽缸燃料喷射，以使完全的空气进气可在喷射氢之前被引入汽缸并有效地保留在汽缸中来解决该问题。以此方式，汽缸包含完全的空气进气，而喷射的氢只会增加汽缸内的压力。迄今为止，氢燃料直接喷射器已在设计用于喷射其他燃料，如天然气或丙烷的现有喷射器基础上得到进一步发展。
发明人在此认识到，氢燃料喷射器的各种组件的设计和材料选择对氢燃料应用来说是不够的。使用这样的喷射器，一般认为如卡住(seizing)、擦伤及泄漏这样的内部故障在仅运行五分钟后就会造成不稳定的运行和不点火。作为示例，较常规的燃料喷射器中用于使轴针对齐的轴承在氢燃料喷射器中不能得到足够的润滑，因为气体燃料不会以液体燃料润滑轴承那样的相同方式润滑轴承。轴承可能由于缺乏润滑而过早磨损，从而造成轴针对不齐，这又会造成轴针顶端过早磨损。这会造成不期望的泄漏。
发明内容
与氢燃料喷射关联的至少部分问题可以通过包括用于使轴针与燃料喷射器喷嘴对齐的悬臂支撑件的燃料喷射器解决。以此方式，可以改进和/或延长轴针的对齐和密封性能。
附图说明
图1示意性地示出氢燃料内燃发动机。
图2示出氢燃料喷射器的截面图。
图3示出包括平行支撑件的示例轴针总成。
图4示出图3的轴针开启和关闭时的情况。
图5示出包括环形平行支撑件的示例轴针总成。
具体实施方式
本发明涉及内燃发动机中用于喷射气体燃料的燃料喷射器。虽然将氢(H2)用作示例气体燃料，但本发明不限于氢燃料喷射器。本文中公开的概念也可以应用于其他气体燃料。
图1示意性地示出配置为将氢燃料转化为机械能的内燃发动机10。发动机10可以包括一个或多个汽缸，其中一个汽缸在12处示出。汽缸12包括至少部分由汽缸壁16及可移动的活塞18界定的燃烧室14。
燃烧室14经由进气门32与进气歧管30流体连通。进气歧管可用于向燃烧室供给包含氧气(O2)的空气以用于燃烧。可以控制进气门，以使期望流量的空气在期望的时间进入燃烧室，同时防止不期望的回流。在某些实施例中，发动机10可以包括增压器50，增压器可用于增加向燃烧室供给的空气的压力，从而增加可用于燃烧的O2的相对质量。在使用时，增压器可以包括机械增压器和/或涡轮增压器。
发动机10可以包括用于向燃烧室供给气体燃料的机构。在所示实施例中，发动机10包括位置适合将基本上无碳的燃料直接供给到燃烧室中的电控燃料喷射器60。与将燃料喷射到进气歧管中的进气道型燃料喷射器相比，位置适合将燃料直接喷射到燃烧室中的燃料喷射器可以承受更加恶劣的环境。在高速操作所允许的短时间内将氢燃料喷射到这样的恶劣环境中的任务通常意味着喷射器必须以较高的内部压力(高于约150巴或220 PSI)工作。燃料喷射器与燃烧反应直接相邻会导致较高的燃料喷射器内部温度。除恶劣环境之外，燃料喷射器60不能得益于液体燃料的润滑性。相反，燃料喷射器60使用气体燃料，在当前所述实施例中为氢气，气体燃料实际上会清洁喷射器而减少润滑。
发动机10可以具有包括一个或多个控制器的控制系统70。在某些实施例中，控制系统可以包括处理器72、输入/输出端口74、电子可编程存储器76、随机存取存储器78，和/或其他组件。控制系统70可以配置为经由端口74接收来自连接到发动机10的传感器的各种信号。这样的接收到的信号可以包括但不限于：来自质量空气流量传感器80的吸入质量空气流量(MAF)测量值；及来自歧管压力传感器82的歧管压力(MAP)测量值。控制系统70可用于控制进气门32、燃料喷射器60、增压器50，和/或各种其他发动机组件。例如，控制系统70可用于向喷射器60发送脉冲宽度调制信号，该信号可以控制燃料喷射器喷射燃料。
发动机10还可以包括一个或多个配置为限制不期望的尾气排放的排气处理装置。例如，发动机10可以包括配置为吸附捕集器进气NOx的NOx捕集器90。如图所示，NOx捕集器位于增压器50的下游。在某些实施例中，NOx捕集器可以位于增压器50的上游。在某些实施例中，可以用车载H2吹扫NOx捕集器。可以使用附加或替代的排气处理装置而仍然落在本发明的范围之内。
图2更详细地示出电控燃料喷射器60。燃料喷射器60设计为可以缓解喷射气体燃料和/或其他润滑性差的燃料产生的不平稳性。现有的氢燃料直接喷射器穿过加工间隙安装到汽缸盖和燃烧室中并在顶端附近使用O形密封圈或衬套式密封件。这样的配置将顶端的较大部分暴露在燃烧热量下，并使喷射器主体与外围可使用水冷的汽缸盖隔绝，从而限制了汽缸盖从喷射器带走热量的能力。结果，在恶劣的无润滑情况下常常产生组件磨损、卡住、擦伤、泄露及其他不期望的结果。一般认为，这样的不期望的情况仅在五分钟内就会发生。
燃料喷射器60包括具有开口120的喷嘴102，通过该开口供给来自燃料喷射器的氢。可以确定开口120的尺寸和形状，使其在给定的压力下在喷嘴开启达特定的持续时间时供给期望的量的氢。开口120与燃料通道122流体连通，而燃料在燃料通道中流动。燃料通道122包括从燃料导管接收氢燃料的入口部分124。燃料通道包括从入口部分124延伸至喷嘴开口120的空腔部分126。在某些实施例中，燃料通道可以在入口和喷嘴开口之间包括两个或更多入口和/或两个或更多空腔/燃料路径。在某些实施例中，喷嘴开口可以包括两个或更多独立的孔。可以加压向燃料通道供给的氢，从而促进氢向燃料喷射器的供给和/或喷射器对汽缸的燃料喷射。
燃料喷射器60包括可以选择性地开启和关闭的轴针(pintle)130。在关闭时，轴针即使末完全阻断，至少也可以基本上阻断空腔126和开口120之间的流体通道。因此，轴针可以阻止加压的燃料流出喷射器并流入燃烧室。另一方面，在轴针开启时，将加压的气体燃料从喷嘴直接引入燃烧室中。轴针可以具有各种尺寸和形状，以和喷嘴协作产生可选择性开启和关闭的喷射燃料的开口。在所示实施例中，轴针130是具有顶端132的细长构件，该顶端具有可密封开口120的尺寸和形状。
燃料喷射器60可以包括配置为选择性地在关闭位置和开启位置之间移动轴针的轴针控制器。在某些实施例中，轴针控制器包括配置为响应于控制信号的接收改变电场和/或磁场的电磁铁(如电磁线圈)。轴针可以通过响应变化的电场和/或磁场在开启位置和关闭位置之间移动。
在上述实施例中，轴针响应于变化的电场和/或磁场移动，向轴针控制器供给的信号可以有效地控制喷嘴开启的持续时间。在某些实施例中，向控制器供给脉冲宽度调制信号。可以选择信号的频率、占空比和/或其他属性，以使轴针控制器产生期望的电场和/或磁场，这样的电场和/或磁场进而使轴针开启达期望的持续时间。例如，与具有较低占空比的信号相比，具有较高占空比的信号可以使轴针开启更长时间。而具有较高频率的信号可以使轴针更加快速地开启和关闭。轴针的频率可以对应于变化的发动机转速连续改变，以便在期望的时间向汽缸供给燃料而不管发动机转速。
在某些实施例中，燃料喷射器可以包括一个或多个将轴针偏置于(bias)开启位置或关闭位置之一的弹簧。在所示实施例中，弹簧140将轴针130偏置于关闭位置。一个或多个弹簧的相对强度会影响轴针的开启和关闭行为。例如，较强的弹簧可以使轴针更加快速地从开启位置移动到关闭位置(或相反)，这在某些实施例中可以有助于精确控制燃料喷射量。
轴针130的对齐对于有效限制加压气体燃料从开口120泄露来说很重要。即使轴针处于关闭位置，如果轴针变得基本上对不齐，加压气体燃料也会泄露到燃烧室中。此外，轴针对不齐会造成轴针顶端处过早磨损，这也会造成泄露。这样的对不齐即便不使精确控制可用于燃烧的燃料量成为不可能，也会使其难以进行，因此是不期望的。因此，燃料喷射器可以包括一个或多个轴承型装置，该装置配置为在轴针移动时引导轴针并确保其在处于关闭位置时适当密封喷嘴开口。
本发明的氢燃料喷射器可以保持轴针对齐而不依赖于易磨损的衬套，或依赖于与轴针滑动接触的其他对齐装置。氢燃料喷射器的现有设计使用常规的滑动轴承面来支撑和定位轴针与电枢。这类轴承可以在有润滑的应用中提供足够的性能，然而氢燃料不能对磨损面提供足够的润滑。因此，不依赖于滑动接触的对齐装置可用于延长喷射器的寿命和/或改进喷射器的性能。
图3示出可以保持轴针对齐而不使用衬套或依赖于与轴针的滑动接触的其他装置的轴针总成150的非限制性示例。轴针总成150包括轴针130、支架152，及支撑件154a和154b。在该实施例中，轴针、支撑件及支架作为一个整体单元制造，然而这不是在所有实施例中必须的。支架可以固定在喷射器中，而支撑件可以在整个移动范围中精确地对齐轴针的垂直纵向运动。换句话说，如图4所示，支撑件可以相对于支架和/或轴针进行枢轴旋转和/或弯曲，从而允许轴针上下移动。在所示实施例中，移动的的范围约为60微米。支撑件的数量、材料、长度、宽度和厚度可根据具体的喷射器需求确定。支撑件可以用作将轴针偏置于关闭位置或开启位置的悬臂弹簧。因此，可以选择支撑件的相对弹性，以提供期望的偏置程度。在某些实施例中，另一个弹簧，如线圈弹簧140可以补充支撑件的偏置，然而这不是必须的。
在所示实施例中，有两个平行支撑件。因此，支撑件得益于保持轴针相对于支架平行的平行四边形效应。在所示实施例中，轴针仅在一侧得到支撑，因此轴针可能在其上下移动时稍微呈弧形。
在某些实施例中，支撑件基本上是直线形的。在其他实施例中，支撑件可以具有非直线形状。在任一情况下，支撑件都可以配置为在支撑件的整个长度中弯曲和改变形状，或可以配置支撑件，以使大部分弯曲发生在支撑件上有限的一段中。作为非限制性示例，轴针和支撑件之间的接头和/或支撑件和支架之间的接头可以配置为提供大部分弯曲，而支撑件的中间部分保持基本上固定。例如，在某些实施例中，支撑件不可弯曲，且接头可以用铰接方式连接以允许轴针的所有垂直运动。在这样的情况下，可以使用外部弹簧，如线圈弹簧来偏置轴针。作为另一个示例，接头可以是相对刚性的，以使大部分弯曲发生在支撑件的整个中间部分中。作为又一个示例，部分弯曲可以发生在接头处，而部分弯曲可以发生在支撑件的整个中间部分中。
在某些实施例中，在轴针处于关闭位置时，支撑件可以稍稍向下倾斜。以此方式，在轴针完全开启时，支撑件只需要稍稍向上倾斜即可。因此，可以限制支撑件越过中间位置倾斜的量，并减少轴针在开启和关闭时的水平位移。
图5示出轴针总成160的另一个实施例。轴针总成160包括轴针162、顶部支架164和顶部支撑件166。该轴针总成还包括底部支架168和底部支撑件170。如上参考轴针总成150所述，轴针总成160包括可得益于平行四边形效应的一对支撑件，该效应有助于保持轴针相对于支架平行的关系。作为示例，支撑件166和170保持基本上平行于彼此，因此轴针保持与连接顶部支架与支撑件166的接头及底部支架与支撑件168的接头的直线平行。以此方式，轴针对齐得到增强。
轴针总成150和轴针总成160两者都配置为独立于任何与衬套或轴承面的滑动接触保持轴针对齐，然而在某些实施例中可以可选地使用补充的滑动接触。也可以使用具有不同配置的其他轴针总成而不偏离本发明的精神。作为非限制性示例，使用悬臂弹簧和/或平行四边形配置的其他配置也可以用于保持轴针对齐并有助于轴针移动。

Claims (10)

1.一种燃料喷射器，其特征在于，包括：
配置为接收来自燃料导管的加压气体燃料的燃料通道；
与所述燃料通道流体连通的喷嘴；
具有开启位置和关闭位置的轴针，其中在所述轴针处于开启位置时通过所述喷嘴供给加压气体燃料，而在所述轴针处于关闭位置时阻止所述加压气体燃料的供给；
使所述轴针与所述喷嘴对齐并将所述轴针偏置于关闭位置的悬臂支撑件；及
配置为在关闭位置和开启位置之间选择性地移动所述轴针的轴针控制器。
2.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述悬臂支撑件是多个悬臂支撑件中的一个，且每个悬臂支撑件都平行于至少一个其他悬臂支撑件安装。
3.如权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个悬臂支撑件中的每个都是悬臂弹簧。
4.如权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个悬臂支撑件包括从所述轴针径向延伸的一组顶部支撑件。
5.如权利要求4所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个悬臂支撑件包括从所述轴针径向延伸的一组底部支撑件。
6.如权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述多个悬臂支撑件中的每个都基本上垂直于所述轴针向外延伸。
7.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述轴针控制器包括电控电磁线圈。
8.一种燃料喷射器，其特征在于，包括：
配置为接收来自燃料导管的加压气体燃料的燃料通道；
与所述燃料通道流体连通的喷嘴；
具有开启位置和关闭位置的轴针，其中在所述轴针处于开启位置时通过所述喷嘴供给加压气体燃料，而在所述轴针处于关闭位置时阻止所述加压气体燃料的供给；
使所述轴针与所述喷嘴对齐的平行四边形支撑件总成，所述平行四边形支撑件总成包括至少两个从所述轴针横向延伸的平行的且为悬臂弹簧的支撑构件；及
配置为在关闭位置和开启位置之间选择性地移动所述轴针的轴针控制器。
9.如权利要求8所述的燃料喷射器，其特征在于，所述轴针控制器包括电控电磁线圈。
10.一种燃料喷射器，其特征在于，包括：
配置为接收来自燃料导管的加压气体燃料的燃料通道；
与所述燃料通道流体连通的喷嘴；
具有开启位置和关闭位置的轴针，其中在所述轴针处于开启位置时通过所述喷嘴供给加压气体燃料，而在所述轴针处于关闭位置时阻止所述加压气体燃料的供给；
从所述轴针横向延伸到支架的支撑件，所述支撑件使所述轴针与所述喷嘴对齐并将所述轴针偏置于关闭位置；及
配置为在关闭位置和开启位置之间选择性地移动所述轴针的轴针控制器。
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