CN101484686B - 燃料喷射器控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料喷射器(32)的控制系统。所述控制系统包括具有至少一个开孔(80)的喷嘴部件(56)，以及针形止回阀(58)。所述针形止回阀(58)可往复运动地设置成打开和关闭所述至少一个开孔(80)。所述控制系统还具有位于所述针形止回阀(58)的基端的控制室(106)，和可运动以选择性地对所述控制室(106)进行排放和填充的控制阀(120)。所述控制系统还具有喷射器体(52)、位于所述喷射器体(52)内的第一活塞(118)和位于所述喷射器体(52)内的第二活塞(116)。所述第一活塞(118)可操作地连接到所述控制阀(120)以使所述控制阀(120)运动。所述第二活塞(116)与所述第一活塞(118)相隔一距离以形成联接室(123)。所述控制系统还具有与所述联接室相关联的部分球止回阀(119)以选择性地补充所述联接室(123)。

Description

燃料喷射器控制系统
技术领域
本发明涉及一种控制系统，更具体地涉及燃料喷射器的控制系统。
背景技术
燃料喷射器提供了一种将燃料引入发动机的燃烧室中的方式。已知的一种燃料喷射器为共轨燃料喷射器。典型的共轨燃料喷射器包括位于一端的具有带喷嘴出口的圆筒形腔的喷嘴组件，和位于相对端的与高压燃料轨连通的喷嘴供给通路。针形止回阀往复运动地布置在圆筒形腔中，并且被弹簧偏压向喷嘴出口被阻塞的关闭位置。为了喷射燃料，针形止回阀移动以打开喷嘴出口，从而允许高压燃料从高压燃料轨流过喷嘴供给通路并喷射到相关燃烧室中。
使针形止回阀在打开和关闭位置之间移动的一种方式包括对与针形止回阀的基座相联的控制室进行排放和填充。特别地，所述控制室可被填充以加压燃料以将针形止回阀保持在关闭位置，以及选择性地排出加压燃料以使针形止回阀偏向打开位置。
压电装置常常液压地联接到控制室以影响控制室的排放和填充。具体地，压电装置通常机械地连接到第一活塞，所述第一活塞与第二活塞由填充有燃料的已知为液压联接部(hydraulic coupling)的空间分离。所述液压联接部用于调节适应制造公差、喷射器元件的热膨胀和/或压电装置的力或运动的放大。当压电装置被加电并扩展(膨胀)以使第一活塞移动时，液压联接部的燃料压力增大，从而引起第二活塞运动。然后第二活塞挤压和打开控制阀，从而使控制室进行排放。只要液压联接部保持被加压到适当的压力，压电装置的扩展和收缩便可导致精确的燃料喷射动作。但是，如果燃料从液压联接部泄露并且未被补充(replenish)，则压电装置的运动会导致控制阀作不期望的运动或不作运动。
对液压联接部进行补充的一个例子在于2005年1月11日授予Igashira等人的美国专利No.6,840,466(‘466专利)中有所描述。‘466专利描述了一种在第一活塞下端上安装有止回阀的共轨燃料喷射器。所述止回阀通过使贮油槽与位移放大室(例如上述的液压联接部)连接而工作，以补偿由于泄露导致的燃料损失。所述止回阀由平板阀(平座阀，flat vlave)和锥形弹簧构成，所述平板阀关闭贮油槽和位移放大室之间的位于第一活塞中的通路，所述锥形弹簧向上推压平板阀以阻塞所述通路。所述平板阀由薄盘制成，该薄盘具有形成在其中央的小孔。所述小孔用于在喷射中出现故障的情况下允许燃料从位移放大室内泄露到贮油槽，从而停止喷射。小孔还用作位移放大室中的真空部以从位移放大室移除气泡。
尽管在‘466专利的燃料喷射器中包括的平板止回阀足以补充从位移放大室中泄露的燃料，但是其应用是有限的。特别地，由于所述平板止回阀包括在喷射动作期间燃料可经其泄露的孔，因而难以在位移放大室中建立起大的压力。实际上，如‘466专利中所述，所述孔可用作真空部，这直接对在所述室中建立压力起反作用。这种降低的压力水平会限制控制阀的运动和/或力的放大，及从喷射器获得的喷射压力。另外，即使在‘466专利的喷射器中可能建立起大的压力，但止回阀的平板性质可对压力提供的支承过小，从而可能导致止回阀变形和/或喷射器失效。
‘466专利的喷射器的另一可选实施方式公开在题为“180Mpa PiezoCommon Rail System”的SAE TECHNICAL PAPER SERIES2006-01-0174中。如该文的图6所示，上述燃料喷射器装配有更强固的全流量球止回阀(full ball check valve)来代替‘466专利中所述的平板止回阀。
尽管全流量球止回阀可以更强固并且由此可承受更大的压力，但是它仍然存在问题。特别地，全流量球止回阀可能需要更大的体积来容纳全流量球止回阀的增大了的尺寸。这种增大了的体积可能增大位移放大室的体积，而位移放大室是必须通过第一活塞的向下的位移运动来加压的。如果压电装置的位移运动保持相同，则更大的体积将导致所述室中的压力降低。如果压电装置的位移运动增大，则喷射器的元件成本和尺寸也必须增加。
本发明公开的控制系统可解决上述一个或多个问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于燃料喷射器的控制系统。所述控制系统包括具有至少一个开孔的喷嘴部件，以及具有基端和尖端的针形止回阀。所述针形止回阀可往复运动地设置在所述喷嘴部件内以打开和关闭所述至少一个开孔。所述控制系统还包括位于所述针形止回阀的基端的控制室，和可运动以选择性地对所述控制室进行排放和填充的控制阀。所述控制系统还包括喷射器体、位于所述喷射器体内的第一活塞和位于所述喷射器体内的第二活塞。所述第一活塞可操作地连接到所述控制阀以使所述控制阀运动。所述第二活塞与所述第一活塞相隔一距离以形成联接室。所述控制系统还包括与所述联接室相关联的部分球止回阀(partial-ball check valve)以选择性地补充所述联接室。
本发明的另一方面涉及一种将燃料喷入发动机的燃烧室的方法。所述方法包括在燃料喷射器操作期间始终将加压燃料引导到所述燃料喷射器的尖端，并且在所述燃料喷射器操作期间始终将加压燃料引导到所述燃料喷射器的第一室。所述方法还包括减小所述燃料喷射器的第二室的体积以对该第二室中的燃料加压。所述第二室中的燃料的加压导致所述第一室中的压力减小并随后导致燃料向所述燃烧室中的喷射。所述方法还包括将燃料从所述第一室引导到所述第二室，并阻止燃料从所述第二室流到所述第一室。
附图说明
图1是所公开的示例性燃料系统的示意性和概略视图；
图2是用于图1的燃料系统的所公开的示例性燃料喷射器的剖视图；以及
图3是用于图2的燃料喷射器的所公开的示例性液压联接部的剖视图。
具体实施方式
图1示出了发动机10和燃料系统12的示例性实施例。为了叙述本公开内容，发动机10被示出和描述为四冲程柴油发动机。但是，本领域技术人员应认识到发动机10也可以是任意其它类型的内燃机，例如汽油发动机或气体燃料动力发动机。发动机10可包括发动机组14，该发动机组限定多个气缸16、可滑动地设置在各个气缸16内的活塞18和与各个气缸16相连的气缸盖20。
气缸16、活塞18和气缸盖20可形成燃烧室22。在所示实施例中，发动机10包括六个燃烧室22。但是，可设想发动机10可包括数量更多或更少的燃烧室22，并且燃烧室22可设置成“直列”构型、“V”构型或任意其它适当的构型。
仍如图1所示，发动机10可包括可旋转地设置在发动机组14内的曲轴24。连杆26可将各个活塞18连接到曲轴24，从而活塞18在各个相应气缸16内的滑动引起曲轴24的旋转。类似地，曲轴24的旋转可引起活塞18的滑动。
燃料系统12可包括协作以将加压燃料喷入各个燃烧室22的部件。具体地，燃料系统12可包括构造成保持燃料供给的燃料箱28和构造成对燃料加压并将加压燃料通过共轨34导入多个燃料喷射器32的燃料泵送设备30。
燃料泵送设备30可包括一个或多个用于增大燃料压力并将一股或多股加压燃料流导向共轨34的泵送装置。在一个示例中，燃料泵送设备30包括串联设置并通过燃料管路40流体连接的低压源36和高压源38。低压源36可以是构造成向高压源38提供低压进给的传输泵。高压源38可构造成接纳所述低压进给并将燃料压力增大至约30-300MPa的范围。高压源38可通过燃料管路42连接至共轨34。可在燃料管路42内设置止回阀44以提供从燃料泵送设备30到共轨34的单向燃料流。
低压源36和高压源38中的一者或两者能可操作地连接至发动机10并由曲轴24驱动。低压源36和/或高压源38能以对本领域技术人员而言显而易见的任意方式与曲轴24相连，其中曲轴24的旋转将引起泵驱动轴的相应旋转。例如，高压源38的泵驱动轴46在图1中示出为通过传动机构48连接至曲轴24。但是可设想，低压源36和高压源38中的一者或两者能可选地被电驱动、液压驱动、气动驱动或以任意其它适当的方式被驱动。
燃料喷射器32可设置在气缸盖20中并通过多条燃料管路50连接至共轨34。各个燃料喷射器32可操作以将一定量的加压燃料以预定的正时、燃料压力和燃料流量喷入相连的燃烧室22。燃料喷入燃烧室22的正时可与活塞18的运动同步。例如，燃料可在活塞18接近压缩冲程中的上死点位置时喷射以准备进行被喷射燃料的压缩点火燃烧。或者，燃料可在活塞18朝上死点位置行进而开始压缩冲程时喷射以用于均匀充气压缩点火操作。燃料还可在活塞18在膨胀冲程期间从上死点位置向下死点位置移动时喷射以进行延迟后喷射，从而产生用于后处理再生的还原气氛。
如图2所示，各个燃料喷射器32可具体表现为闭式喷嘴组合式燃料喷射器。具体地，各个燃料喷射器32可包括喷射器体52、可操作地连接到喷射器体52的壳体54、设置在壳体54中的引导件55、喷嘴部件56、针阀元件58、致动器59和致动器阀组件61。可设想在燃料喷射器32中可包括附加元件，例如，节流孔板、压力平衡通路、蓄能器和本领域已知的其它喷射器元件。
喷射器体52可具体表现为构造成装配在气缸盖20中并具有一条或多条通路的圆筒形部件。具体地，喷射器体52可包括构造成接纳致动器59的中心腔100，与中心腔100连通的燃料入口102和出口104，及控制室106。控制室106可与针阀元件58的基端直接连通，并且选择性地排出或被供给以加压燃料以影响针阀元件58的运动。喷射器体52还可包括在燃料喷射器32操作期间始终使燃料入口102与喷嘴部件56和控制室106流体连通的供给通路110。
壳体54可具体表现为具有用于接纳引导件55和喷嘴部件56的中心腔60以及供喷嘴部件56的尖端64突出的开口62的圆筒形部件。在引导件55和喷嘴部件56之间可设置密封部件如O形圈(未示出)以限制燃料从燃料喷射器32泄露。
引导件55也可具体表现为具有构造成接纳针阀元件58和复位弹簧90的中心腔68的圆筒形部件。复位弹簧90可设置在止挡部92和支承表面94之间以朝尖端64轴向偏压针阀元件58。在复位弹簧90和支承表面94之间以及在复位弹簧90和止挡部92之间可分别设置间隔件96和类似的间隔件97，以减小燃料喷射器32中元件的磨损。中心腔68可用作压力室并且容纳从供给通路110供给的加压燃料以准备进行喷射动作。
喷嘴部件56可同样具体表现为具有与中心腔68连通的中心腔72的圆筒形部件。中心腔72可接纳针阀元件58并包括一个或多个开孔80，当针阀元件58移离开孔80时，所述开孔使加压燃料从中心腔68经中心腔72进入发动机10的燃烧室22。
针阀元件58可以是滑动地设置在引导件55和喷嘴部件56内的细长圆柱形部件。针阀元件58可在第一位置和第二位置之间沿轴向移动，在所述第一位置针阀元件58的尖端阻挡燃料流过开孔80，在所述第二位置开孔80打开以将燃料喷入燃烧室22。可设想，针阀元件58可以是具有针部件和活塞部件的多部件元件或单个的一体元件。
针阀元件58可具有多个驱动液压表面。例如，针阀元件58可包括在加压燃料的作用下与复位弹簧90的偏压一起趋于朝第一或开孔阻塞位置驱动针阀元件58的液压表面112。针阀元件58还可包括在加压燃料的作用下抵抗复位弹簧90的偏压沿相反的方向朝第二或开孔打开位置驱动针阀元件58的液压表面114。
致动器59可相对着喷嘴部件56设置以控制作用在针阀元件58上的力。特别地，致动器59可包括电扩展模块，例如压电马达。压电马达可包括一堆或多堆盘式压电晶体。所述晶体可以是具有随机电畴取向(randomdomain orientation)的结构。这些随机取向是呈现出永久偶极特性的正负离子的不对称排列。当电场例如通过施加电流而作用于成堆晶体时，随着电畴对齐，所述堆沿电场的轴线扩展。在一个实施例中，致动器59的扩展可以为大约40μm。
致动器59可以通过致动器阀组件61连接到针阀元件58。特别地，致动器阀组件61可以包括第一活塞116、第二活塞118和控制阀元件120。在第一活塞116和第二活塞118之间可设置止回阀119以提供燃料从控制室106到液压联接部123的单向流动。
第一活塞116可连接成随着致动器59的扩展和收缩而移动。具体地，第一活塞116可通过复位弹簧125而保持为与致动器59的晶堆机械接合。复位弹簧125可设置在第一活塞116的凸缘116a和保持架元件128之间。当致动器59被加电并扩展或断电并收缩时，第一活塞116可在中心腔100中移动以减小或增大液压联接部123的体积。可设想，在必要时第一活塞116可固定连接到致动器59。
第二活塞118可与第一活塞116分开一距离，由此形成液压联接部123。当第一活塞116移动以减小液压联接部123的体积时，液压联接部123中的燃料的压力可相应地增大。液压联接部123中燃料的增大压力可作用于第二活塞118的一端，由此推动第二活塞118靠住控制阀元件120向下移动。当第一活塞116移动以增大液压联接部123的体积时，液压联接部123中的燃料压力可相应地减小，从而允许控制阀元件120使第二活塞118返回到其起始位置。可设想，在必要时可在第二活塞118上联接复位弹簧(未示出)以保持第二活塞118与控制阀元件120接触。
控制阀元件120可移动成接触和不接触支座122以选择性地排空控制室106，由此启动燃料喷射。当控制阀元件120与支座122接合或处于非喷射位置时，燃料可从燃料入口102通过供给通路110经分支通路124流入控制室106。当加压燃料在控制室106中积聚时，在液压表面112产生的向下的力结合复位弹簧90的力可克服液压表面114上的向上的力，由此关闭开孔80并终止燃料喷射。当控制阀元件120抵抗复位弹簧127的偏压而移动、与支座122脱离接合并到达喷射位置时，燃料可从控制室106经限流孔121、中心腔100和燃料出口104流到燃料箱28。随着燃料从控制室106排放至燃料箱28，液压表面114上的向上的力可抵抗复位弹簧90的偏压而推动针阀元件58，由此打开开孔80并启动向燃烧室22中的燃料喷射。当致动器59断电时，复位弹簧127可使控制阀元件120返回到非喷射位置。
止回阀119可补充从液压联接部123泄露的燃料。特别地，在燃料喷射器32操作期间，燃料可能从第一和第二活塞116，118之间的空间内经中心腔100泄露到燃料出口104。如果该空间内的燃料量及随后的压力产生波动，则第一活塞116的运动可能导致第二活塞118和控制阀元件120的不期望的运动。例如，如果液压联接部123存在燃料泄露，则第一活塞116将不得不移动得更远以产生使第二活塞118运动所需的压力。在一些情况下，该附加距离可能造成第二活塞118运动缩短或甚至不运动。止回阀119可选择性地允许来自控制室106的燃料补充液压联接部123的燃料损失。
如图3所示，止回阀119可设置在第二活塞118的中心腔130内。第二活塞118内的一条或多条横向通路132可与保持架元件128的一条或多条横向通路133配合以使中心腔130与中心腔100及由此控制室106流体连通。当由液压联接部123内的燃料压力产生的作用于止回阀119的力结合重力减小到小于由中心腔130内的燃料压力产生的作用于止回阀119的力时，止回阀119可移离支座134以允许燃料从中心腔130流入第一和第二活塞116，118之间的空间。当液压联接部123和中心腔130中的燃料压力大致相等时，止回阀119可返回到它与支座134接合的状态。
仍如图3所示，止回阀119可以是强固的并且通过其沿中心腔130的轴向运动被引导。特别地，止回阀119可包括部分球元件136和引导元件138。部分球元件136可包括由上部平面截顶的球形部分。部分球元件136中包括的球形部分的量可以是可变的并且取决于特定的应用。但是，为了提供承受液压联接部123内产生的高压所需的结构，同时使容纳部分球元件136所需的体积减到最小，在大多数情况下采用的球形部分通常约为完整球的一半，并且可已知为半球。在部分球元件136的平表面上可设置小突起以防止第一活塞116与所述平表面完全接触，并由此将部分球元件136粘附在第一活塞116端面上的可能性减到最小。
引导元件138可将在止回阀119运动期间止回阀119卡在中心腔130内或第一和第二活塞116，118之间的空间内的可能性减到最小。尽管止回阀119被描述为仅由燃料压力和重力偏压，但可设想，在必要时可在中心腔130或液压联接部123中可选地设置复位弹簧(未示出)以偏压止回阀119并由此影响止回阀119的打开或关闭压差。但是，复位弹簧的使用会增加止回阀119的复杂度和相关的成本及不可靠性。
工业适用性
本发明公开的燃料喷射器控制系统可广泛应用于各种发动机类型，例如柴油发动机、汽油发动机和气体燃料动力发动机。所公开的燃料喷射器控制系统可在一致的和可预测的燃料喷射器性能很重要的任意发动机中实施。现在将描述燃料喷射器32的喷射控制。
针阀元件58可通过由燃料压力产生的力失衡来移动。例如，当针阀元件58处于第一或开孔阻塞位置时，来自燃料供给通路100的加压燃料可流入控制室以作用于液压表面112。同时，来自燃料供给通路100的加压燃料可流入中心腔68和72以准备进行喷射。弹簧90的力结合在液压表面114产生的力可大于在液压表面112产生的反抗力，由此使针阀元件58保持在第一位置以限制燃料流过开孔84。
为了打开开孔84并将加压燃料从中心腔72喷射到燃烧室22中，可发送电流到致动器59而产生使第一活塞116移动的扩展以对液压联接部123加压。液压联接部123的增大的压力可起作用以使第二活塞118和相接合的控制阀元件120移动，使得燃料从控制室106和液压表面112排出。作用于液压表面112的该压力减小可允许作用在液压表面114上的反抗力克服弹簧90的偏压力，从而使针阀元件58朝开孔打开位置移动。
为了关闭开孔84并结束向燃烧室22中的燃料喷射，致动器59可断电。特别地，随着致动器59内的压电晶堆收缩，第一活塞116可从液压联接部123缩回，从而导致其中的压力下降。该压力的减小可允许弹簧127使控制阀元件120和相接合的第二活塞118返回到它们的流动阻塞位置。当控制阀元件120处于流动阻塞位置时，可阻止来自控制室106的燃料排出到燃料箱28。由于加压燃料经限流分支通路124持续地供给到控制室106，所以当从控制室106的燃料排出被阻止时，控制室106内的压力可快速升高。控制室106内的增大的压力结合弹簧90的偏压力可克服作用于液压表面114的反抗力以朝关闭位置推动针阀元件58。
当液压联接部123的压力由于泄露而减小时，止回阀119可向液压联接部123补充加压燃料。特别地，响应于液压联接部123和中心腔130之间的压差越过预定的阈值，止回阀119可抵抗重力而移动以允许燃料从中心腔100经横向通路132、133和中心腔130流入液压联接部123中。这样，非致动体积及由此液压联接部123内的压力可大体上保持恒定，从而产生大致恒定和可预测的喷射动作。
止回阀119可提供高的液压联接压力，并且对于处理高压是足够强固的。特别地，由于止回阀119仅允许燃料从中心腔130单向流动到液压联接部123中，所以在第一活塞116的向下移位运动期间从液压联接部123中泄露的燃料可减到最少。通过在第一活塞116的这种运动期间将泄露减到最少，液压联接部123中的压力能以直接与第一活塞116的运动成比例的速率增大到相当高的值，并且效率损失会最小。此外，由于止回阀119的部分球形特点，在液压联接部123内只需最小化的体积来容纳止回阀119。液压联接部123内的这种最小化体积可缩短第一活塞116为了将液压联接部123加压到期望压力而必须完成的行程。第一活塞116所需的较短行程可减少致动器59的成本或在液压联接部123内产生更高的压力。此外，由于止回阀119的部分球形特点，止回阀119可足够坚固以承受这些高压而不发生变形或受损。
显然，本领域技术人员可对本发明公开的控制系统作出各种修改和变型而不会背离本发明的范围。考虑到对本文中公开的控制系统的说明和实施，对于本领域技术人员而言其它实施例也是显而易见的。本说明书以及示例仅应当看作是示例性的，而本发明的真正范围由所附权利要求及其等同物来指明。

Claims (9)

1.一种用于燃料喷射器(32)的控制系统，包括：
具有至少一个开孔(80)的喷嘴部件(56)；
具有基端和尖端的针形止回阀(58)，所述针形止回阀可往复运动地设置在所述喷嘴部件内以打开和关闭所述至少一个开孔；
位于所述针形止回阀的基端的控制室(106)；
可运动以选择性地对所述控制室进行排放和填充的控制阀(120)；
喷射器体(52)；
位于所述喷射器体内的第一活塞(118)，所述第一活塞可操作地连接到所述控制阀以使所述控制阀运动；
位于所述喷射器体内的第二活塞(116)，所述第二活塞与所述第一活塞相隔一距离以形成联接室(123)；和
部分球止回阀(119)，所述部分球止回阀与所述联接室相关联以选择性地补充所述联接室。
2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述部分球止回阀仅允许单向的燃料流动。
3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，还包括被机械地连接以使所述第二活塞运动的压电装置(59)，其中所述压电装置的扩展使所述第二活塞运动以对所述联接室加压，从而引起所述第一活塞的使所述控制室进行排放的运动。
4.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于：
所述部分球止回阀包括设置在所述第一活塞的燃料通路(130)内的引导元件(138)；并且
所述燃料通路与所述控制室选择性地连通。
5.如权利要求4所述的控制系统，其特征在于，所述部分球止回阀构造成选择性地阻塞燃料从所述联接室经所述燃料通路的流动。
6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述部分球止回阀仅受到燃料压力和重力的作用。
7.一种将燃料喷入发动机(10)的燃烧室(22)的方法，所述方法包括：
在燃料喷射器(32)操作期间始终将加压燃料引导到所述燃料喷射器的尖端(64)；
在所述燃料喷射器操作期间始终将加压燃料引导到所述燃料喷射器的第一室(106)；
减小所述燃料喷射器的第二室(123)的体积以对该第二室中的燃料加压，其中所述第二室中的燃料的加压导致所述第一室中的压力减小并随后导致燃料喷入所述燃烧室；
将燃料从所述第一室经部分球止回阀(119)引导到所述第二室；和
用部分球止回阀(119)选择性地阻塞所述第一和第二室之间的通路(130)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括沿所述通路的轴向引导所述部分球止回阀的运动。
9.一种内燃机(10)，包括：
至少一个气缸(16)；
与所述至少一个气缸相关联以形成燃烧室(22)的活塞(18)；
高压燃料源(30)；
如权利要求1-6中任一项所述的构造成选择性地将燃料喷入所述燃烧室的燃料喷射器控制系统。
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