CN101382105B - 燃料喷射阀 - Google Patents

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Abstract

一种燃料喷射阀，包括：主体(10)，其具有高压燃料通道(102)和与该通道相连的喷嘴孔(103)；打开/闭合所述孔并具有针形活塞部分(152)的喷嘴针(15)；压电叠堆组件(30)，其在所述压电叠堆组件充电时伸长并在所述压电组件放电时收缩；缸体(20)，其中针形活塞部分可滑动地插入其中，并由所述压电叠堆组件进行驱动；固定活塞(40)，其具有可滑动地插入缸体中的固定活塞部分(401)，并且所述固定活塞部分(401)的直径大于针形活塞部分的直径；在缸体中位于针形活塞部分与固定活塞部分之间的不透油腔(45)；以及沿阀闭合方向推压着所述喷嘴针的喷嘴弹簧(25)。所述缸体由于所述压电叠堆组件的伸长/收缩而发生位移，以使得不透油腔的容积增加/减小，并使所述喷嘴针打开/闭合喷嘴孔。

Description

燃料喷射阀
技术领域
本发明涉及一种用于将燃料喷射到内燃机内的燃料喷射阀。
背景技术
在US6,420,817B1所描述的燃料喷射阀中，当压电叠堆组件充电以具有高电压时，在喷嘴针上完成阀闭合操作(也就是喷嘴针关闭着喷嘴孔)，并且当电荷被放电由此使压电叠堆组件具有低电压时，在喷嘴针上完成阀打开操作。在这种情况下，尽管内燃机处于操作中，但压电叠堆组件处于高电压的时间比压电叠堆组件处于低电压的时间更长。因而，就压电叠堆组件的可靠性(例如耐用性)来说，上述燃料喷射阀是不合乎要求的。
这样，例如在JP-T-2007-500304(与US2007/0152084A1相对应)中提出了一种燃料喷射阀，其被构造成使得，在压电叠堆组件处于高电压时在喷嘴针上完成阀打开操作，并且在压电叠堆组件处于低电压时在喷嘴针上完成阀闭合操作。
如图9所示，在JP-T-2007-500304的燃料喷射阀中，当压电叠堆组件900具有高电压并由此得到伸长时，第一传递活塞910得到驱动，因而不透油腔920中的燃料压力增加。不透油腔920中的燃料压力被施加在与喷嘴针930一体形成的第二传递活塞940的环形表面941上，由此喷嘴针930开启喷嘴孔。
然而，在JP-T-2007-500304的燃料喷射阀中，在高压燃料流过的高压燃料通道950与不透油腔920之间存在三个滑动部分间隙。因此，当燃料喷射阀处于阀打开操作过程中时，从不透油腔920穿过上述间隙泄漏到高压燃料通道950的燃料量增大。另外，三个滑动部分间隙是第一传递活塞910与第二传递活塞940之间的间隙、第一传递活塞910与套筒960之间的间隙、以及喷嘴针930与导向部分970之间的间隙。
当从不透油腔920泄漏到高压燃料通道950的燃料量增大时，驱动传动效率降低。在本说明书中，驱动传动效率的降低意味着实际位移放大系数(＝喷嘴针的升程量/压电致动器的伸展量)的减小。
当从不透油腔920泄漏到高压燃料通道950的燃料量增加时，喷嘴升程减小，由此在长期燃料喷射的情况下因不透油腔920的压降而导致在喷射后期的喷射状态变差。
此外，难以使第二传递活塞940的环形表面941的面积变得很大。因此，为了使喷嘴针930开启喷嘴孔，需要使不透油腔920与高压燃料通道950之间的压差变得更大。
当不透油腔920与高压燃料通道950之间的压差变得更大时，从不透油腔920泄漏到高压燃料通道950的燃料量增加。因而，例如驱动传动效率降低以及喷射状态变差等问题会变得更加突出。
另外，为了使不透油腔920与高压燃料通道950之间的压差较大，对于足够高的不透油腔920的燃料压力需要增加压电叠堆组件900的伸长量。为此，向压电叠堆组件(piezo stack)900供给的充电能量增大。
发明内容
本发明解决了上述问题。因而，本发明的目的是提高在燃料喷射阀处于阀打开操作过程中的驱动传动效率，同时减少向压电叠堆组件供给的充电能量。在上述燃料喷射阀中，在压电叠堆组件具有高电压时，操作喷嘴针以开启喷嘴孔。
为了实现本发明的目的，本发明提供了一种燃料喷射阀，其包括：主体、喷嘴针、压电叠堆组件、缸体、固定活塞、不透油腔以及喷嘴弹簧。主体具有高压燃料所流经过的高压燃料通道，以及与高压燃料通道相连的喷嘴孔。喷嘴针被布置成用于打开和闭合喷嘴孔，并具有针形活塞部分。压电叠堆组件被构造成在压电叠堆组件充电时伸长，并被构造成在压电叠堆组件放电时收缩。喷嘴针的针形活塞部分可滑动地插入缸体中，并且所述缸体由压电叠堆组件驱动。固定活塞被固定在主体上，并具有可滑动地插入缸体中的固定活塞部分。所述固定活塞部分的直径大于针形活塞部分的直径。不透油腔由针形活塞部分和固定活塞部分限定，并在缸体中位于针形活塞部分与固定活塞部分之间。喷嘴弹簧被布置成沿着喷嘴针闭合喷嘴孔的方向推压喷嘴针。所述缸体由于压电叠堆组件的伸长而发生位移，以使得不透油腔的容积增加，并由此使喷嘴针开启喷嘴孔。并且，所述缸体由于压电叠堆组件的收缩而发生位移，以使得不透油腔的容积减小，并由此使喷嘴针闭合喷嘴孔。
附图说明
从以下描述、附加权利要求和附图中，将会最清楚地了解到本发明及其另外的目的、特征和优点，其中：
图1是表示根据本发明第一实施方式的燃料喷射阀构造的纵向剖视图；
图2是表示从方向A观察到的图1所示固定活塞的示意图；
图3A是表示图1所示推板的主视图；
图3B是表示推板的仰视图；
图4A是表示推板的改进实例的主视图；
图4B是表示推板的改进实例的仰视图；
图5是表示根据本发明第二实施方式的燃料喷射阀构造的纵向剖视图；
图6A是表示图5所示压电弹簧的主视图；
图6B是表示压电弹簧的平面图；
图7是表示根据本发明第三实施方式的燃料喷射阀构造的纵向剖视图；
图8是表示根据本发明第四实施方式的燃料喷射阀的构造的纵向剖视图；以及
图9是表示在前提出的燃料喷射阀的构造的纵向剖视图。
具体实施方式
以下描述本发明的第一实施方式。
燃料喷射阀被连接在内燃机(更具体地为柴油机，未示出)的缸体盖上，并将存储在蓄压器(未示出)中的高压燃料喷射到发动机缸体内。
如图1所示，在大体上筒形的燃料喷射阀主体10中形成了大体上筒形的接收空间101、由蓄压器供给的高压燃料所流过的高压燃料通道102、以及高压燃料被喷射到发动机缸体内所穿过的喷嘴孔103。接收空间101沿着主体10的轴向(下文称为主体轴向)在主体10的径向(下文称为主体径向)的主体10中心部分中延伸。高压燃料通道102在主体径向上位于接收空间101的外部，并沿主体轴向延伸。喷嘴孔103位于主体10沿主体轴向的一端。高压燃料通道102在布置有喷嘴针15(下文将得到更详细的描述)的位置附近处与接收空间101相连，并经由接收空间101与喷嘴孔103连通。另外，在本说明书中，接收空间101和高压燃料通道102被总称为高压燃料系统101、102。
打开和闭合着喷嘴孔103的喷嘴针15在主体径向方向上的接收空间101一端侧(喷嘴孔103一侧)由主体10可滑动地保持。更具体地，锥形阀座104形成在喷嘴孔103上游侧的主体10上，并且当形成于喷嘴针15上的座部件151靠近阀座104或与阀座104分离时，喷嘴孔103被闭合和打开。
圆柱形的针形活塞部分152在与座部件151相反的喷嘴针15一侧上被形成在喷嘴针15上。针形活塞部分152可滑动地插入到缸体20(下文进行更详细的描述)中。
喷嘴针15在沿喷嘴针15轴向的中间部分处具有凸缘部分153，并且喷嘴弹簧25被布置在凸缘部分153与缸体20之间。喷嘴弹簧25采用压缩螺旋弹簧，并且喷嘴针15由喷嘴弹簧25作用沿阀闭合方向进行推压。
压电叠堆组件30容纳在沿主体轴向的接收空间101的另一端侧(喷嘴孔103的相反一侧)，其中所述压电叠堆组件30包括许多叠堆的压电元件，并且通过充电和放电进行伸长和收缩。推板35(下文进行更详细的描述)被布置在压电叠堆组件30与缸体20之间，并且在压电叠堆组件30伸长时，缸体20被压电叠堆组件30通过推板35进行驱动。
缸体20具有筒形，并且在其内圆周表面上包括具有阶梯部分的台阶。筒形第一缸体孔201形成在阶梯部分的一侧，并且直径比第一缸体孔201更大的筒形第二缸体孔202形成在阶梯部分的另一侧。第一缸体孔201和第二缸体孔202沿主体轴向串联布置；更具体地，第一缸体孔201比第二缸体孔202更远地位于主体轴向上的所述一端侧。
针形活塞部分152可滑动地插入第一缸体孔201中，并且形成在固定活塞40上的柱形固定活塞部分401可滑动地插入第二缸体孔202中。固定活塞部分401的直径比针形活塞部分152的直径大。因此，当缸体20由于压电叠堆组件30的伸长而发生位移时，不透油腔45的容积增加。
在缸体20中，不透油腔45由针形活塞部分152和固定活塞部分401限定在针形活塞部分152与固定活塞部分401之间。通过第一缸体孔201与针形活塞部分152之间的间隙以及第二缸体孔202与固定活塞部分401之间的间隙，不透油腔45与接收空间101进行连通。
如图2所示，固定活塞40具有从固定活塞部分401向外径向突出的凸缘部分402。凸缘部分402沿其圆周方向被分成三块，并且在相邻两个凸缘部分402之间形成槽口部分403。如图1所示，凸缘部分402被保持在筒形垫片50与固定弹簧55之间，并且由此固定活塞40被固定在主体10上。
如图3A、3B所示，推板35具有柱形圆盘部分351和沿圆盘部分351轴向从圆盘部分351的一个端面处突伸出来的柱形支腿352。沿圆盘部分351的圆周方向共有三个支腿351，并且三个支腿352各自插入固定活塞40的相应槽口部分403中(参见图2)。如图1所示，推板35的圆盘部分351与压电叠堆组件30接触，并且推板35的支腿352与缸体20接触。
另外，推板35可以采用图4A、4B中所示的推板35。如图4A、4B所示，推板35的支腿352可以被形成为大体上的棱形柱。
下文说明燃料喷射阀的工作。图1表示燃料喷射阀的阀闭合状态。在以上状态下，通过第一缸体孔201与针形活塞部分152之间的间隙以及第二缸体孔202与固定活塞部分401之间的间隙，高压燃料从接收空间101流入不透油腔45内，因此不透油腔45的压力等于高压燃料系统101、102的压力。在被施加到针形活塞部分152上的不透油腔45压力的作用下，喷嘴针15被沿阀闭合方向进行推压，并且通过喷嘴弹簧25沿阀闭合方向被推压以处于阀闭合状态。
当向压电叠堆组件30供给充电电流(也就是，压电叠堆组件30被充电时)并由此使压电电压升高时，压电叠堆组件30伸长。因而，缸体20由推板35从主体轴向的所述另一端侧被驱动到所述一端侧，并由此使不透油腔45的容积扩大。因此，不透油腔45的压力降低，从而沿阀闭合方向推压喷嘴针15的力减小。这样，喷嘴针15沿阀打开方向移动，并且座部件151与阀座104脱开以开启喷嘴孔103。因此，燃料穿过喷嘴孔103被喷射到发动机缸体内。
此后，当电荷从压电叠堆组件30中释放并由此使压电电压降低时，压电叠堆组件30收缩。因而，缸体20在喷嘴弹簧25的作用下朝向压电叠堆组件30回位，并由此使不透油腔45的容积减小。从而，不透油腔45的压力升高，并由此沿阀闭合方向推压喷嘴针15的力增加。这样，喷嘴针15沿阀闭合方向进行移动，并且座部件151与阀座104接合以闭合喷嘴孔103。因此，燃料喷射结束。
在第一实施方式的燃料喷射阀中，在不透油腔45与接收空间101之间的滑动部分间隙包括两个区域，也就是第一缸体孔201与针形活塞部分152之间的间隙，以及第二缸体孔202与固定活塞部分401之间的间隙。因而，当燃料喷射阀处于阀打开操作过程时，通过上述两个间隙从接收空间101泄漏到不透油腔45内的燃料量减少，进而使得驱动传动效率得到提高。
而且，如下文所述，根据第一实施方式的燃料喷射阀使得不透油腔45与高压燃料系统101、102之间的压差变得较小。
在JP-T-2007-500304所示的燃料喷射阀中，假定第一传递活塞910的外径(也就是不透油腔920的外径)是A，第二传递活塞940的外径(也就是环形表面941的外径)是B，由导向部分970保持的喷嘴针930一部分的外径(也就是环形表面941的内径)是C，以及位移放大系数是K1。另外，K1等于(A2-B2)/(B2-C2)。
在第一实施方式的燃料喷射阀中，假定固定活塞部分401的外径是D，针形活塞部分152的外径是E，位移放大系数是K2。另外，K2等于(D2-E2)/E2。
假设A是D，K1是K2，并且C大于0(零)，则满足表达式B2-C2＜E2。因此，第一实施方式的燃料喷射阀的针形活塞部分152的横截面积大于JP-T-2007-500304中的燃料喷射阀的环形表面941的面积。
这样，在第一实施方式的燃料喷射阀中，使得不透油腔45与高压燃料系统101、102之间的压差比JP-T-2007-500304的燃料喷射阀中的压差更小。因而，当燃料喷射阀处于阀打开操作过程时从高压燃料系统101、102泄漏到不透油腔45内的燃料量更少，并由此使驱动传动效率得到提高。此外，与减少的泄漏量相对应，压电叠堆组件30的伸长量可以被设定在较小值。从而，可以降低向压电叠堆组件30供给的充电能量。
在第一实施方式中，高压燃料通道102在布置着喷嘴针15的位置附近处与接收空间101相连；换句话说，高压燃料通道102延伸靠近喷嘴孔103。因而，压降较小，并且实现了良好的燃料喷射。
第二实施方式
下文对本发明第二实施方式进行说明。与在第一实施方式中采用的相同的附图标记被用于表示与第一实施方式相同或等效的部件，并省去对它们的描述。
如图5所示，在第二实施方式的燃料喷射阀中，压电弹簧60布置在主体10与缸体20之间。压电弹簧60朝向使不透油腔45容积减小的方向推压着缸体20。
因而，当从压电叠堆组件30中放电并由此使压电电压下降时，缸体20通过喷嘴弹簧25和压电弹簧60的作用朝向压电叠堆组件30回位。从而，提高了燃料喷射阀在闭合喷嘴孔103过程中的响应性。
同时，由于压电弹簧60的负荷未施加在喷嘴针15上，因此在设定压电弹簧60的弹簧常数方面，燃料喷射阀具有较高的灵活性。因而，通过将压电弹簧60的弹簧常数设定在较大值，可以进一步提高燃料喷射阀在闭合喷嘴孔103过程中的响应性。
如图6A、6B所示，压电弹簧60采用切缝弹簧，其通过将具有许多交错的孔601的金属板材形成为筒形而制成。采用切缝弹簧，可以很容易地获得具有较大弹簧常数的弹簧。
第三实施方式
下文对本发明的第三实施方式进行说明。在第三实施方式中，高压燃料通道102与接收空间101相连的位置与第二实施方式不同。与第二实施方式中采用的相同的附图标记，被用于表示与第二实施方式相同或等效的部件，并省去对它们的描述。
如图7所示，在第三实施方式的燃料喷射阀中，高压燃料通道102沿主体轴向在接收空间101另一端侧附近处与接收空间101相连。因而，高压燃料通道102无需位于主体10侧表面的附近。这样，提高了燃料喷射阀的可靠性(内压强度)，并使接收空间101的直径变得更大。通过使接收空间101的直径变得更大，在设计被容纳在接收空间101内的各个部件方面，燃料喷射阀具有更高的灵活性。
第四实施方式
下文对本发明的第四实施方式进行说明。在第四实施方式中，高压燃料通道102与接收空间101相连的位置与第二实施方式不同。与第二实施方式中采用的相同的附图标记，被用于表示与第二实施方式相同或等效的部件，并省去对它们的描述。
如图8所示，在第四实施方式的燃料喷射阀中，高压燃料通道102沿主体轴向在压电叠堆组件30的一个端侧附近处与接收空间101相连。因而，压降减小，并且可靠性(内压强度)增加。此外，在设计由接收空间101(而不是压电叠堆组件30)所容纳的多个部件的方面，燃料喷射阀具有高度灵活性。
本领域技术人员很容易理解其他优点和修改。因此，就其最广义来说，本发明并不局限于所示和所述的具体细节、典型装置以及示例性实例。

Claims (6)

1. 一种燃料喷射阀，包括：
主体(10)，其具有高压燃料所流经过的高压燃料通道(102)以及与高压燃料通道(102)相连的喷嘴孔(103)；
喷嘴针(15)，其被布置成用于打开和闭合喷嘴孔(103)，并具有针形活塞部分(152)；
压电叠堆组件(30)，其被构造成在压电叠堆组件(30)充电时伸长，并被构造成在压电叠堆组件(30)放电时收缩；
缸体(20)，其中喷嘴针(15)的针形活塞部分(152)可滑动地插入所述缸体中，并且所述缸体(20)由压电叠堆组件(30)驱动；
固定活塞(40)，其被固定在主体(10)上并具有可滑动地插入缸体(20)中的固定活塞部分(401)，其中所述固定活塞部分(401)的直径大于针形活塞部分(152)的直径；
不透油腔(45)，其由针形活塞部分(152)和固定活塞部分(401)限定，并在缸体(20)中位于针形活塞部分(152)与固定活塞部分(401)之间；以及
喷嘴弹簧(25)，其被布置成沿着喷嘴针(15)关闭喷嘴孔(103)的方向推压着喷嘴针(15)，其中：
所述缸体(20)由于压电叠堆组件(30)的伸长而发生位移，以使得不透油腔(45)的容积增加，并由此使喷嘴针(15)开启喷嘴孔(103)；并且
所述缸体(20)由于压电叠堆组件(30)的收缩而发生位移，以使得不透油腔(45)的容积减小，并由此使喷嘴针(15)闭合喷嘴孔(103)。
2. 如权利要求1所述的燃料喷射阀，其特征在于，通过缸体(20)与针形活塞部分(152)之间的间隙以及缸体(20)与固定活塞部分(401)之间的间隙，不透油腔(45)与高压燃料通道(102)相连通。
3. 如权利要求1所述的燃料喷射阀，其特征在于，喷嘴弹簧(25)被保持在喷嘴针(15)与缸体(20)之间，以沿不透油腔(45)容积减小的方向推压着缸体(20)。
4. 如权利要求1所述的燃料喷射阀，其特征在于，还包括压电弹簧(60)，其被构造成沿不透油腔(45)容积减小的方向推压着缸体(20)。
5. 如权利要求4所述的燃料喷射阀，其特征在于，所述压电弹簧(60)是切缝弹簧，其通过将具有多个孔(601)的金属板材形成为筒形而制成。
6. 如权利要求1-5中任意一项所述的燃料喷射阀，其特征在于，
所述缸体(20)在缸体(20)的内圆周表面上具有阶梯部分；
所述缸体(20)在缸体(20)轴向的阶梯部分一侧具有供针形活塞部分(152)插入的第一缸体孔(201)，并在缸体(20)轴向的阶梯部分另一侧具有供固定活塞部分(401)插入的第二缸体孔(202)；以及
第二缸体孔(202)的直径大于第一缸体孔(201)的直径。
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