CN101506518A - 增强型共轨式燃料喷射系统及利用该系统的发动机的操作方法 - Google Patents

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Abstract

通过定位在每个燃料喷射器(14)中的可动增强器(48)使共轨燃料喷射系统(12)中达到相当高的喷射压力。燃料喷射器(14)通过一个电动执行器(41)单独控制，该电动执行器在将增强器控制腔(52)连接到高压共轨(13)的位置和将增强器控制腔(52)连接到低压容器(16)的位置之间运动。通过保持增强器(48)的相对液压表面和针阀受到高压共轨(13)中的流体压力来避免喷射事件之间的泄漏。这避免了与分离高压区域和低压区域的引导表面(70、71、72)相关的压差和泄漏。

Description

增强型共轨式燃料喷射系统及利用该系统的发动机的操作方法
技术领域
本发明总的涉及用于压燃式发动机的燃料系统，更具体地，本发明涉及一种用于共轨式燃料系统的双线电控的增强型燃料喷射器。
背景技术
工程师们一直在寻求各种方法，以求以降低排放同时不降低效率的方式来运行用于压燃式发动机的燃料系统。在这方面已经取得相当成功的一种策略是引入能够独立于发动机曲柄转角控制燃料喷射正时和质量的电控单元喷射器。这些趋势仍然关注于使很多燃料喷射器包括两个或更多单独的电动执行器，以便提供各种不同的燃料喷射能力。这些扩展能力能够始终对喷射正时、喷射量、喷射率的形状、喷射压力和本领域内已知的其它要素进行控制，以在发动机的整个工作范围内实现更低的排放。例如，共同拥有的美国专利6725838公开了一种燃料喷射系统，其中，每个燃料喷射器具有直接控制针、增强器活塞和两个单独的电动执行器，从而能够在很高甚至更高的喷射压力下进行喷射。在所述的系统中，可以在一定程度上独立于喷射压力来控制正时，并且不同的喷射模式能够允许各种燃料喷射策略以降低排放而不降低效率。上述增强型燃料喷射系统以及当前利用的许多其他燃料喷射系统所反应的另一种策略是通过利用增压燃料共轨策略和/或在各个单独的燃料喷射器内增加压力来追求更高的喷射压力。例如，’838专利和美国专利6453875都示出了包括允许在轨压力下进行喷射的增压燃料共轨的燃料喷射系统，还提供了通过使增强器活塞在喷射过程中在各个燃料喷射器中运动而在基本上更高的压力下喷射燃料的增强器策略。虽然这些相当复杂的燃料喷射系统似乎提供了一个不断扩大燃料喷射托盘的选择，但它们往往难以一贯生产，增加了控制系统额外的复杂性，且并没有表现出通过对已有的燃料喷射系统进行简化而应该具有的长期可靠性和稳定性。
通常，共轨式燃料系统存在的一个问题是泄露。本领域的普通技术人员认识到，利用能量将共轨中的燃料压缩到喷射压力水平，然后任何基本量的加压燃料发生泄漏，这将是效率低下的。泄露通常可以发生在燃料喷射器中一个低压空间由引导表面例如与针阀和活塞相关的引导表面与一个高压空间分开的位置。泄露有时可以发生在多次喷射事件之间，因为在多次喷射事件之间燃料喷射器结构仅维持一部分燃料喷射器被加压。在其它情况中，例如在’875专利中公开的直控针阀所示出的，泄露是进行喷射事件的可接受结果。例如，一些燃料喷射器通过在喷射事件过程中借助针顶腔将高压共轨直接连接到低压排放口来打开和关闭它们的针以打开和关闭它们的喷嘴出口。尽管使用所谓的A和Z孔能够降低执行控制功能所必需的泄露率，但泄露还是表明了在运行特定的燃料喷射系统时的效率基本低下。
多年来已经表现出稳定性和相当成功的另一种类型的增强型燃料喷射系统公开在共同拥有的专利5121730中。这种燃料喷射系统利用中压油来推动增强器活塞将燃料加压到喷射水平。虽然这种类型的燃料喷射系统已经辉煌了很多年了，但它似乎不能实现目前行业中要求的不断增加的喷射压力水平。还必须补偿源于例如冷启动时的极限温度的油黏度的变化。另外，本发明的系统还具有需要维持两个独立的流体循环的缺点，其中一个关于作用流体(油)，另一个关于使燃料在燃料喷射器之间循环。
发明内容
本发明涉及上述一个或多个问题。
在一个方面，本发明提供一种燃料喷射器，该燃料喷射器包括设置在喷射器主体中的增强器控制腔、活塞腔、执行腔、针顶腔和喷嘴腔，该喷射器主体限定高压入口、低压排放口和喷嘴出口。针将针顶腔与喷嘴腔流体分离，并且能够在针第一位置和针第二位置之间运动，在该针第一位置，喷嘴出口与喷嘴腔流体连通，在该针第二位置，喷嘴腔与喷嘴出口的流体连通被阻塞。增强器将增强器控制腔、活塞腔、执行腔彼此流体分离。电控阀至少部分设置在喷射器主体中，并且能够在电控阀第一位置和电控阀第二位置之间运动，在该电控阀第一位置，增强器控制腔与高压入口流体连通，在该电控阀第二位置，增强器控制腔与低压排放口流体连通。单向阀将高压入口与活塞腔流体分离。未阻塞通道将针顶腔和执行腔流体连通到高压入口。
在另一方面，本发明提供一种燃料喷射系统。该燃料喷射系统包括高压共轨、低压容器和多个燃料喷射器，所述多个燃料喷射器的每个包括借助未阻塞通道流体连接到所述高压共轨的针顶腔和执行腔。电控阀与每个燃料喷射器相连并能够在第一位置和第二位置之间运动，在该第一位置，增强器控制腔与高压共轨流体连通，在该第二位置，增强器控制腔与低压容器流体连通。所述多个燃料喷射器的每个包括增强器和针，增强器和针带有由引导表面分离的相对液压表面，相对液压表面在电控阀处于第一位置时受到高压共轨中的流体压力。
在另一方面，本发明提供一种运行发动机的方法。该方法包括将发动机气缸中的空气压缩到超过液体燃油的自燃点。在喷射事件之间，保持多个燃料喷射器的增强器的相对液压表面受到高压共轨中的燃料压力。通过借助电控阀将增强器控制腔与低压容器流体连通来启动燃料喷射事件。通过运动各个燃料喷射器内的增强器，将喷射事件中的燃料压力提高到高压共轨的压力以上。在喷射事件之间和喷射事件过程中保持针顶腔处于高压共轨的燃料压力。
附图说明
图1是具有根据本发明的燃料喷射系统的发动机的示意图；和
图2是根据本发明的燃料喷射器的侧截面示意图。
具体实施方式
参照图1，其中示出了包括共轨燃料系统12的发动机10，共轨燃料系统12包括与多个气缸19中的每一个相关联的燃料喷射器14。特别地，每个燃料喷射器14包括被定位成向各个气缸19中直接喷射燃料的燃料喷射器尖端18。燃料可以以传统的方式在各个气缸19中被压燃。尽管图中示出了具有6个气缸的发动机10，但是本发明可以应用到具有任何数量气缸的发动机上。通过电控模块20以传统的方式对发动机10进行控制，电控模块20通过通信线路22与各个燃料喷射器14通信，并通过通信线路21与高压泵15通信以控制高压共轨13中的燃料压力。共轨燃料系统12包括低压容器16，该低压容器16通过泵供应管路30向高压泵15供应低压燃料，泵供应管路30可以包括输送泵、过滤器、冷却器等(未示出)。高压泵被控制通过轨供应管路31向共轨13供应加压燃料。各个燃料喷射器14通过在每个燃料喷射器14的高压入口25处相连接的轨分支通道32中的每个与高压共轨13通信。低压燃料通过注入低压返回管路35的低压排放口26离开各个燃料喷射器14，低压返回管路35又流体连接到低压容器16，用于再循环。共轨13可以装配有卸压阀(未示出)，该卸压阀通过将过量的燃料引导回低压容器16而避免过压。
每个燃料喷射器14仅装配有一个电控阀40，该电控阀包括连接用来使阀构件42克服偏压弹簧43的作用运动的电动执行器41。本领域的技术人员将会理解，电控阀40可以是通过与一个或多个锥形阀座相关的流体紧密密封件避免泄露的提升阀。因此，通过偏压弹簧43和电动执行器41以本领域已知的方式动作，可以使阀构件42仅在高压锥形阀座和低压锥形阀座之间运动。替代地，阀构件42可以通过连接到电动执行器41的导向阀运动，这也不脱离本发明。燃料喷射器14包括喷射器主体15，该喷射器主体具有设于其中的若干部件和各种通道和腔，以便能够以高于共轨13中的压力向各个发动机气缸19喷射燃料。特别地，增强器控制腔52、活塞腔53、执行腔51、针顶腔54和喷嘴腔55都位于喷射器主体50中。另外，喷射器主体50限定高压入口25、低压排放口26和喷嘴出口29。喷嘴腔55通过未阻塞喷嘴供应通道56与活塞腔53流体连通。在本发明中，术语“未阻塞”意指没有完全能够关闭通道的阀被定位在该通道中。因此，未阻塞通道可以包括限流器，但不包括能够完全关闭通道的电控阀或被动阀。例如，活塞腔53也通过包括单向阀47的活塞填充通道59连接到高压管路57。因此，在本发明的情况下，活塞填充通道59不能被看成是未阻塞的。如图2所示，高压管路57的起始端与高压入口25流体连通。未阻塞执行分支通道58将高压管路57流体连接到执行腔51。因此，执行腔51通过分支通道58、高压管路57和轨分支通道32始终与高压共轨13流体连通。同样，针顶腔54通过压力连通管路60始终与高压管路57并由此与共轨13流体连通，如果需要，压力连通管路60可以包括节流孔61。
燃料喷射器14还包括增强器48，该增强器48可以包括一个或多个部件以在所示的缩回位置和向下行进位置之间滑动。增强器48通常被定位在执行腔51内的复位弹簧49朝其缩回位置偏压。本领域的技术人员将会理解，复位弹簧49可以定位在以已知的方式将增强器48朝其缩回位置偏压的任何位置。增强器48在其缩回位置和行进位置之间的运动通过环形引导表面70和71来引导，环形引导表面70和71在增强器和喷射器主体50的内壁之间限定相对紧密的引导间隙配合。因此，增强器48和引导表面70和71可以看成是将增强器控制腔52、执行腔51和活塞腔53彼此流体分开。增强器48可以包括邻近可以被开发的引导部分70和71的中空部分，以在当执行腔51、增强器控制腔52和活塞腔53的一个或多个之间存在压差，高压使增强器随着时间轻微径向扩张时降低这些区域中的引导间隙。当电控阀40处于其如图所示的被偏压的第一位置时，活塞腔53通过流体管路63和控制管路66流体连通到增强器控制腔52。图中示出了燃料喷射器14，其增强器48和电控阀40如它们在喷射事件之间那样的设置。活塞腔53和增强器控制腔52之间的流体连通使得所有的内部腔(执行腔51、增强器控制腔52、活塞腔53、针顶腔54和喷嘴腔55)在喷射事件之间具有与共轨13相同的压力。这防止了在喷射事件之间的延长时间内在引导部分70和71上产生压差，从而避免了有时在其他燃料喷射系统中观察到的沿着那些引导表面的泄漏，其中，所述其他燃料喷射系统在喷射事件之间维持压差。当电动执行器41使控制阀构件42运动到其第二位置时，增强器控制腔52流体连通到低压排放口26。在这种情况下，执行腔53中的液压力引起增强器48克服复位弹簧49的作用向下朝其行进位置运动，从而以本领域已知的方式根据弹簧49的强度和与增强器48相关的直径比使活塞腔53中的燃料压力升高到高于共轨13中的压力。在这种情况下，单向阀47关闭。流体管路63和控制管路66可以分别包括节流孔64和67以实现燃料喷射器14之外的一些所需动作。例如，节流孔67可以被用来降低增强器48在喷射事件中的运动速度。另一方面，在喷射事件之后当燃料喷射器被重新设置成用于接着的喷射事件时，可以利用节流孔64和67中的一个或者全部来降低增强器48的缩回速度，例如来避免气穴现象。因此，本领域的技术人员将会理解，节流孔64和67可以具有相同或不同的流通面积，如果期望，也可以将一个或者两个节流孔从燃料喷射器14去掉。
燃料喷射器14还包括设于其内的针45。通过引导表面72来引导针45的运动，引导表面72和针45一起将针顶腔54与喷嘴腔55分离。针45通常以传统的方式通过针偏压弹簧46被向下偏压与座28接触。当针45与座28接触时，喷嘴腔55与喷嘴出口29的流体连通被以传统的方式阻止。当针45克服针偏压弹簧46的作用朝其打开位置提升时，在喷嘴腔55和喷嘴出口29之间产生流体连通，从而允许燃料被喷到各个发动机气缸19中。针45包括受到喷嘴腔55中的流体压力的开放液压表面44a和44b。因此，当两个顶腔54都如一贯的那样处于轨压力下时，且喷嘴腔55例如在喷射事件之间也处于轨压力下时，针45被保持在其向下位置中以通过针偏压弹簧46关闭座28。然而，当增强器48被向下驱动以极大地增加活塞腔53中的燃料压力时，流体压力通过喷嘴供应通道58被传递到喷嘴腔55，并且更高的压力作用在开放液压表面44a和44b上以使针45克服偏压弹簧46的作用朝其打开位置向上提升。虽然所示的弹簧46位于喷嘴腔55中，但它也可以位于其它位置，例如位于针顶腔54中。本领域的技术人员将会理解，阀的打开压力及针45的打开和关闭速率可以通过对共轨13中的压力大小、增强器48的面积比以及活塞腔53中的期望喷射压力进行选择来设计，同时可以在选择预加载在针偏压弹簧46上的合适载荷时适当设计开放液压表面44a、44b的尺寸，最后包括或排除节流孔61。
工业实用性
本发明的燃料系统可以潜在应用于任何内燃机，但尤其适用于直接向各个发动机气缸19喷射燃料并以本领域已知的方式压燃的压燃式发动机。在喷射事件之间，给电动执行器41断电，并通过偏压弹簧43将控制阀构件41定位在其如图所示的第一位置或者偏压位置。同时，增强器控制腔52通过控制管路66、流体管路63、定位在活塞腔59内的单向阀47和高压管路57和轨分支通道32与共轨13流体连通。因此，在喷射事件之间，燃料喷射器14中仅有的压差发生于电控阀41中。但是，由于该阀可以包括密封锥形阀座的提升阀构件，因此在喷射事件之间不会发生泄漏。同样，由于针45固定地就座在座28中，针顶腔54和喷嘴腔55之间不存在压差，因此针45上也不会发生泄漏。
电控模块命令向电动执行器41供电以将控制阀构件42从其所示的第一位置运动到其第二位置，由此启动喷射事件，在所述第二位置，增强器控制腔52与低压排放口26通过控制管路66流体连通。同时，作用在执行腔51中的轨压力克服复位弹簧49的作用向下推动增强器48以提高活塞腔53中的燃料压力。当所述压力上升到用于针45的阀打开压力以上时，针45克服针偏压弹簧46的作用提升至打开位置，从而将喷嘴腔55与喷嘴出口29流体连通，开始向发动机气缸19喷射燃料。在完成所需量的燃料喷射之前很短时间，控制信号指示给电动执行器41断电，使得电动执行器在偏压弹簧43的作用下返回其第一位置。这使得增强器控制腔52通过控制管路66、流体管路63、活塞腔53和活塞填充通道59与共轨13重新连通。同时，喷嘴腔55中的燃料压力下降到阀关闭压力以下，针45通过针偏压弹簧46被向下驱动重新就座在座28上。在喷射事件后，来自轨13的流动和从执行腔51偏移的燃料使得增强器48在复位弹簧49的作用下缩回以重新填充活塞腔53和增强器控制腔52以准备用于随后的喷射事件。
在典型的柴油机中，通过将发动机气缸19中的空气压缩到由燃料喷射器14喷射的液体燃料的自燃点以上而使燃料燃烧。本领域的技术人员将会理解，可以在空气被压缩到自燃点以上之前或之后向气缸内喷射燃料。在通常情况下，将空气压缩到自燃点以上，且在与各个气缸相关的活塞的上止点处或接近上止点时喷射燃料。然而，本发明的燃料系统12能够提供所谓的均质压燃运行模式，其中，向发动机气缸喷射燃料并在空气被压缩到燃料的自燃点以上之前使燃料与空气混合。
本领域的技术人员将会理解，本发明的燃料系统提升了关于相对较高压力的共轨燃料系统的已知技术。该提升是通过使用增强器来将喷射压力基本上提高到高于共轨压力而实现的，并且仅在喷射事件的短暂持续过程中在燃料喷射器中这样做。尽管目前生产的很多共轨系统能够达到160-180Mpa级的喷射压力，但通常认为要使燃料系统(泵、管路轨、喷射器、压力喷射器、压力调节器等)在整个发动机寿命期间承受超过200Mpa的喷射压力，对燃料系统的结构挑战极大。然而，本发明的燃料系统能够简单地仅在燃料喷射器中将燃料压力提高到200Mpa以上，用于大部分共轨系统目前不可能实现的较高压喷射。这是通过单个电动执行器实现的。本领域的技术人员将会理解，这些极其高的压力能够用于进一步降低不希望的发动机排放，而不降低发动机性能。另外，很高的喷射压力可以通过在喷射事件之间燃料喷射器内的实际燃料泄漏来实现，并不降低效率。唯一的实际损失是伴随加压燃料在喷射过程中从增强器控制腔52的偏移发生的。另外，尽管在喷射事件中沿着引导表面70、71和72可能发生泄漏，但仍然可以进一步降低该相对较小的泄漏，例如，通过利用用于增强器48的在增强器的向下冲程中减小引导间隙的中空活塞部分来进一步降低沿引导表面70的燃料游移和泄漏。本领域的技术人员将会理解，通过适当确定与针45及节流孔61相关的面积比和弹簧作用的大小，可以以本领域已知的方式使燃料喷射速率变得更加呈方形或坡形。另外，本发明的结构常常有助于使阀打开压力高于共轨13的压力，并且邻近针顶腔54的孔61将调节流进和流出针顶腔54的流动，从而控制检查打开和关闭速度。
应当理解，上面的描述仅是出于说明的目的，并不用于以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域的技术人员将会理解，本发明的其它方面可以通过研究附图、说明书和所附的权利要求书获得。

Claims (10)

1.一种燃料喷射器(14)，包括：
设置在喷射器主体(50)中的增强器控制腔(52)、活塞腔(53)、执行腔(51)、针顶腔(54)和喷嘴腔(55)，所述喷射器主体限定高压入口(25)、低压排放口(26)和喷嘴出口(29)；
针(45)，其将所述针顶腔(54)与喷嘴腔(55)流体分离，并能够在针第一位置和针第二位置之间运动，在该针第一位置，所述喷嘴出口(29)与所述喷嘴腔(55)流体连通，在该针第二位置，所述喷嘴腔(55)与喷嘴出口(29)的流体连通被阻塞；
增强器(48)，其将所述增强器控制腔(52)、活塞腔(53)和执行腔(51)彼此流体分离；
电控阀(40)，其至少部分地设置在所述喷射器主体(50)中，并能够在电控阀第一位置和电控阀第二位置之间运动，在该电控阀第一位置，所述增强器控制腔(52)与所述高压入口(25)流体连通，在该电控阀第二位置，所述增强器控制腔(52)与所述低压排放口(26)流体连通；
单向阀(47)，其将所述高压入口(25)与活塞腔(53)流体分离；和
未阻塞通道(57、58、60)，其将所述针顶腔(54)和执行腔(51)流体连通到高压入口(25)。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器(14)，其特征在于，所述增强器控制腔(52)通过活塞腔(53)、单向阀(47)和所述高压入口(25)在所述电控阀第一位置处与所述高压入口(25)流体连通。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射器(14)，包括可操作地定位在所述增强器(48)和喷射器主体(50)之间的所述执行腔(51)中的增强器复位弹簧(49)；和
定位在所述喷嘴腔(55)和针顶腔(54)中的一个内的针偏压弹簧(46)。
4.根据权利要求1所述的燃料喷射器(14)，其特征在于，在所述针顶腔(54)和高压入口(25)之间的未阻塞通道(57、60)包括节流孔(67)。
5.根据权利要求1所述的燃料喷射器(14)，其特征在于，所述增强器控制腔(52)通过所述单向阀(47)和活塞腔(53)在所述电控阀第一位置处与所述高压入口(25)流体连通；
增强器复位弹簧(49)可操作地定位在所述执行腔(51)中并位于增强器(48)和喷射器主体(50)之间；
针偏压弹簧(46)定位在喷嘴腔(55)中；
第一节流孔(67)将所述活塞腔(53)与电控阀(40)分离；并且
其中，在针顶腔(54)和高压入口(25)之间的未阻塞通道(57、60)包括节流孔(64)。
6.一种燃料喷射系统，包括：
高压共轨(13)；
低压容器(16)；
燃料喷射器(14)，每个燃料喷射器包括借助未阻塞通道(57、58、60)流体连接到所述高压共轨(13)的针顶腔(54)和执行腔(51)；
电控阀(40)，其与每个燃料喷射器(14)相关联并能够在第一位置和第二位置之间运动，在所述第一位置，增强器控制腔(52)与高压共轨(13)流体连通，在所述第二位置，增强器控制腔(52)与低压容器(16)流体连通；
每个所述燃料喷射器(14)包括增强器(48)和针(45)，增强器(48)和针(45)带有由引导表面(70、71、72)分离的相对液压表面，所述相对液压表面在电控阀(40)处于所述第一位置时受到高压共轨(13)中的流体压力。
7.一种运行发动机(10)的方法，包括以下步骤：
将发动机气缸(19)中的空气压缩到超过液体燃料的自燃点；
在用于各个燃料喷射器(14)的喷射事件之间，保持多个燃料喷射器(14)的增强器(48)的相对液压表面受到高压共轨(13)中的燃料压力；
通过借助电控阀(40)将增强器控制腔(52)与低压容器(16)流体连通来启动燃料喷射事件；
通过运动在各个燃料喷射器(14)内的增强器(48)，将在喷射事件中的燃料压力提高到高压共轨(13)的压力以上；和
在喷射事件之间和喷射事件过程中保持针顶腔(54)处于高压共轨(13)的燃料压力。
8.根据权利要求7所述的方法，包括用节流孔(67)限制针顶腔(54)和高压共轨(13)之间的燃料流动的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电控阀(40)在喷射事件之间关闭锥形阀座。
10.根据权利要求9所述的方法，包括以下步骤：
使针(45)和增强器(48)中的至少一个沿径向扩张以减小喷射事件中的引导间隙；
将针偏压弹簧(46)定位到喷嘴腔(55)中；并且
将增强器复位弹簧(49)定位到位于每个燃料喷射器(14)中的执行腔(51)中。
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