CN101532455B - 用于直接喷射的喷射阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于直接喷射的喷射阀。该喷射阀用于将燃料直接喷射到自点火式内燃机的燃烧室中，它具有可沿轴向运动的阀针。阀针可以密封地安放在针座上且具有针尖，所述针尖在阀针位于针座上的位置中遮盖通往燃烧室的喷孔。此外，该喷射阀还包括用于调节阀针轴向升程的可变的升程限制装置，其中，针尖将喷孔部分遮盖。

Description

用于直接喷射的喷射阀
技术领域
本发明涉及一种用于向自点火式内燃机的燃烧室直接喷射燃料的喷射阀，它具有可沿轴向移动的阀针。阀针可以密封地安装在针座上并具有针尖，所述针尖在阀针处于针座区域内的位置中遮盖通往燃烧室的喷孔。
背景技术
在直喷式内燃机中，喷射阀结构上的设计以及喷射过程的时间变化影响到燃烧流程，因而也影响到效率和排放特性。
DE 28 37 606公开了一种上述类型的多束流喷射阀。这种喷射阀的优点在于盲孔体积很小或没有。碳氢化合物排放量相对普通喷射阀而言显著减少。通过上述构造大大降低了燃料从盲孔蒸发和因阀针跃升引起的漏流。
在上面提到的分级式喷射阀中，根据先后要或多或少装入的喷射量的情况，有多个喷孔相继被阀针分别完全释出。在被释出的喷孔的数量较少时，在设置在阀门内的存储系统中会堵住较高的喷射压力。这种存储系统使得可以根据喷射持续时间而自动步进式地释出多个喷射钻孔。没有设置附加的阀门升程控制装置。
DE 197 15 505建议了一种喷油嘴，它的钻孔中设置有转阀。其中，喷孔的面积可根据转阀的角位置变化。然而，为转动转阀，需要附加的装置来检测和调节转阀的位置。针对转阀还记载了雾化和燃料喷射角的控制装置，然而该控制装置基于阀门结构而需要很高的构造费用和很高的转阀定位精度。
其它公开的喷射阀使用例如两个阀门弹簧，其中，第一压力弹簧将阀针升程限制在用于预喷射的预升程内。当超过通过第二压力弹簧调节的压力时，阀针为了主喷射而进一步上升至最大升程。在此不利的是，灵活性不够，因为阀针的升程仅通过喷嘴前室内的压力进行控制。喷嘴前室中的高压和子升程无法结合起来。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种喷射阀，它避免了现有技术的缺陷，实现了可变的燃料喷射。
按本发明，该技术问题通过权利要求1的内容解决。从属权利要求的内容是有利的改型。
按本发明的用于向自点火式内燃机的燃烧室直接喷射燃料的喷射阀具有可沿轴向活动的阀针，所述阀针密封地安置在针座上。阀针在此包括针尖，它在阀针处于针座区域内的位置中基本上完全遮盖通往燃烧室的喷孔。此外喷射阀还具有用于调节阀针轴向升程的可变的升程控制装置，其中，针尖在升程运动时将喷孔部分遮盖。喷孔可根据要求的载荷在最大升程位置上被阀针部分遮盖或完全释放。其中，将喷射阀的内室与燃烧室连接的区域被看作是喷孔。该区域可由一个或多个连接孔组成，所述连接孔优选沿径向和/或轴向分布地设置在喷射阀的圆周上。
阀针的可变的轴向升程运动优选借助控制装置进行调节，所述控制装置优选与用于控制发动机的控制器连接，控制器处理内燃发动机的多个运行参数。发动机特征曲线优选储存在控制器中，由该发动机特征曲线可以确定为发动机的特定的负荷范围所需的喷射量。从需要的喷射量出发可知喷射阀内阀针的相关轴向升程。
用于喷射阀的控制装置优选包括调节元件，通过操纵调节元件可以将阀针带到所期望的升程位置并让阀针优选地保持在那里，且阀门可通过预定的阀针的轴向运动再次关闭。该调节元件优选按电子机械工作原理工作。调节运动因而优选借助电磁件、伺服电机或压电执行器完成。但调节元件也可液压地或借助于其它工作原理进行操纵。
升程运动以及最大阀针升程优选通过调节元件的切换位置和接近的燃料压力间的共同配合进行控制。在另一种实施形式中，阀针的最大升程借助升程限制元件限制，其定位优选同样借助调节元件完成。
优选在阀针经过一定的升程后才实现喷孔第一区域的释放，这标志着喷射的开始。如果内燃机在局部负荷范围内运行，那么喷射只通过喷孔相对较小的孔横截面进行。阀针的升程因而也相应较小。尤其在传统的喷射 系统中，小的喷射横截面引起喷射燃料的高压和良好的雾化。与普通喷射阀相比，以此方式可在燃烧时达到很低的烟气排放量，因为燃料在那里基本上作为紧密的液束排出。气雾状燃料成分相对较小。通过喷射阀按本发明的构造，优选实现的是，孔横截面上气穴增加、射束的内部应力提高以及射束表层上外部波纹的形成有所改进，这些都有助于结合燃烧室环境形成气雾状燃料。燃料喷射的这种特性改进了混合物的形成，因而获得高燃烧效率，且燃烧产生的有害物较少。
为改进射束的分裂，优选设置导流边缘，它在喷射横截面仅部分打开时优选形成在阀针针尖上并有助于混合物的结合。此外，射束的分裂优选除了阀针针尖关于喷孔的位置以外也受到喷孔几何形状和/或阀针几何形状的影响。按照本发明，喷孔的几何形状也可以是不同心的形状。通过针尖与喷孔的几何形状并结合喷射阀在气缸中的安装位置以及气缸内产生的气流可以以所希望的方式对燃烧过程产生影响。
喷射压力小时，在内燃机高功率范围内设置高体积流量，以便达到高功率。在该范围内，排放值和尤其是氧化氮的形成也应受到有利的影响。喷射过程的参数、基本上也就是阀针升程运动的时间过程的参数和其最大升程则结合储存在控制器中的发动机特征曲线来确定并在阀门上进行调节。因而预喷射也可通过优选与小升程结合获得的短时间的阀针开启来完成。喷射阀的喷孔在额定功率时优选被完全释放。阀针升程的控制借助升程限制元件完成，因而升程限制元件优选设置在它们的最大轴向位置中。在额定功率的范围内，射束的形成也优选受喷孔的几何形状和/或阀针针尖的几何形状的影响。
根据阀针几何形状的构造并结合喷射系统也相宜的是，如下地限定阀针的最大升程，即，喷孔在额定功率的范围内也不是完全打开，以便获得尽可能最佳的喷束结构。
按本发明，喷孔横截面的几何形状也构造为，使喷射过程受到积极影响。这种几何形状也可例如构造为，在喷射过程开始时仅有很小的孔横截面被释放，而在喷射结束时则让释放的横截面过度增大。但也相宜的是，让释放的横截面线性扩大。体积流量的变化既受喷孔几何形状的影响，也受阀针升程运动的时间控制的影响。
所建议的喷射阀通过其简单的结构和有利的喷嘴构造实现了燃料喷射的可变控制，燃料喷射可通过多个参数匹配的可能性实现。
附图说明
本发明的其它优点、特征和应用可能性由下文结合附图的说明给出。图中：
图1示出了按本发明一种实施方案的带有控制装置的喷射阀；
图2示出了按本发明另一种实施方案的带有可变化的升程限制装置的喷射阀；
图3示出了按本发明又一种实施方案的带有可变化的升程限制装置的喷射阀；
图4是按图1的喷射阀在不同升程位置中的放大图；
图5示出了按本发明一种实施方案的喷射阀的喷孔的横截面；
图6示出了按本发明一种实施方案的喷射阀的喷孔的另一种横截面；
图7示出了按本发明一种实施方案的阀针的针尖的构造；
图8示出了按本发明一种实施方案的喷射阀的喷孔的构造；
图9示出了按本发明另一种实施方案的喷射阀的喷孔的构造；
图10示出了按本发明又一种实施方案的喷射阀的喷孔的构造。
具体实施方式
图1示出了按本发明一种实施方案的带控制装置的喷射阀，它用于向大型柴油机的燃烧室直接喷射燃料。喷射阀10具有可轴向移动的阀针11，阀针11可以密封地安装在针座12上。阀针11包括针尖13，针尖13在阀针11处于所示位置时在针座12的区域内完全遮盖喷孔14。在该位置中，来自喷射压力和体积流量源40的燃料无法通过燃料管路21流入喷射阀10的喷射腔17。
喷射压力和体积流量源40只是暂时通过合适的切换机构与燃料管路21相连。
若阀针11从针座12升起，那么就开启了燃料管路21到喷射阀10的喷射腔17间的连接。之后，通过燃料管路21输送的燃料便通过横孔15流入阀针11的轴向供应孔16。在这个阀门位置中，阀针11的针尖13将喷孔14仅仅部分地遮盖，从而使燃料通过喷孔14到达内燃机的燃烧室。
在本发明的这一示例性示出的实施形式中，可变的升程挡块25在阀针11和推杆上方借助控制装置30控制，控制装置30与用于控制发动机的控制器31相连。在这一控制器31中储存有发动机特征曲线32，它可由控制器33的计算装置34读取并处理。此外，控制器33还包括储存装置35，其内储存有与控制喷射阀10相关的数据。通过高压腔6进行的喷射阀10的燃料供应被同样与控制器33相连的燃料供应装置40控制。
控制装置30包括调节元件36，所述调节元件与低压管路38相连且在与燃料管路21中的燃料压力的互相配合下在所期望的升程运动中控制阀针11的移动。调节元件36在图示实施例中通过又是由控制装置34控制的电磁件37操纵。
燃料供应压力临近高压腔6。弹簧腔5与低压管路38相连。设置在弹簧腔5中的弹簧7用一个沿喷射阀10关闭方向定向的力加载到阀针上。调节元件在图1中处于静止位置。它在操作位置中将喷射阀10的弹簧腔5与低压管路38连接。弹簧腔5中的压力下降，阀针基于高压腔6内的压力从阀座中升起并沿打开方向运动。借助燃料供应装置40闭合与燃料压力的连通路线，喷射腔17以及高压腔6中的压力因而下降，阀通过弹簧力关闭。
图2示出了喷射阀10的另一种示例性实施形式，喷射阀10具有可变化调节的升程限制装置。阀针11在喷射阀10中打开与关闭的实现在该实施形式中与图1类似，然而最大升程则通过以可轴向移动的活塞为形式的升程限制元件25限制，所述活塞由调节元件36控制。调节元件36与燃料管路21相连，燃料管路21又与喷射压力和体积流量源40连接。
升程限制元件25可借助由控制器33切换的调节元件36在所示下部升程限制位置和上部升程限制位置之间变化地调节。在调节元件36处于图示切换位置中时，升程限制压力腔8与低压管路38相连。在燃料压力接近时，只要开启调节元件，升程限制压力腔8中的介质就会泄漏。此时，升程限制元件25通过在轴向上沿打开方向移动的阀针11向上运动，直至升程限制元件25上出现力平衡，或者升程限制元件25机械地贴靠在上部升程限制位置中。当调节元件36处于所示切换位置中时，阀针11和升程限制元件25作轴向运动直至到达挡块，从而达到最大的阀门升程。
作为替代方案，调节元件36也可以让升程限制压力腔8不与燃料管路21、而是与具有适当压力的辅助介质回路连接。在这种实施形式中有利的是，用唯一的调节元件36就能并行调节多个升程限制元件25的位置并因而调节多个或所有发动机喷射阀10的升程。
图3示出了按本发明另一种实施方案的喷射阀10，其具有可变化调节的升程限制装置。阀针11在喷射阀10中打开和关闭的实现在该实施形式中与图1和2类似，然而最大升程则通过升程限制元件25和与其相配的以两个可控制地进行轴向运动的活塞为形式的控制元件26进行限制。在该实施方案中，流向喷射阀10压力腔的体积流量与图1的实施方案类似也通过控制装置30以及喷射压力和体积流量源40可变地控制，其中，图3没有示出喷射压力和体积流量源40。
若弹簧腔5通过被控制器33切换的调节元件36与压力管路39相连，则升程限制元件25运动到所示下部升程限制位置中。当调节元件36处于所示的切换位置中时，弹簧腔5与低压管路38相连。弹簧腔5中的压力由此降低，控制元件26以及升程限制元件25通过在轴向上向打开位置移动的阀针11向上运动，直至由于接近的压力而达到力平衡，或升程限制元件25贴靠在外壳中的挡块上。当调节元件25处于所示切换位置中时达到最大的阀门升程。
在这一实施形式中，同样可能的是，用唯一的调节元件就能并行调节多个升程限制元件25的位置并从而调节多个或所有发动机喷射阀10的升程。
图4是示例性喷射阀11在不同升程位置中的放大示意图。阀针11在关闭位置中密封地安置在阀座12上。在该位置中，阀针尖13完全遮挡喷孔14。燃料管路21和喷射腔17间的连接在阀座12上中断。喷射腔17中没有基本力作用。
在阀针11以升程L1(只针对针尖示出)作升程运动后，阀针11不再安置在针座12上，从燃料管路21到喷射腔17的连接被开启。燃料通过横孔15经由供应孔16到达喷射腔17。在这个位置中，尤其在传统的喷射系统中，由于因喷孔14仅部分释放而发生横截面缩小，所以喷射腔17内产生提高的压力。燃料在喷射横截面14上的排出速度因而较高。
在阀针11以升程L2(只针对针尖和针座示出)作升程运动后，阀针11几乎到达其最大升程。喷射孔14几乎完全释放，且输送到燃烧室的体积流量很大，尤其是在传统的喷射系统中，在喷射过程的这个阶段不会在喷射腔17内形成很高的喷射压力。通过喷射横截面可变的控制可以对体积流量、压力、喷出的燃料喷束以及因而混合物的形成施加影响。
图5示出了喷射阀10的喷孔14的示例性横截面。阀针11为完全释放喷射阀14而所需的升程在该实施例中相对较长。图5中，喷射阀10的喷孔14约释放了一半。喷孔14具有向上扩大的横截面，所述横截面在打开速度呈线性时可以在体积流量很小的情况下达到一开始就很高的喷油压力。体积流量直到约喷射过程的一半时才开始显著增大。
图6示出了喷射阀10的喷孔14的另一种示例性横截面。喷孔14在该实施形式中构造为，针尖13在很小的升程时就已经释放较大的横截面并实现体积流量的迅速上升。
图7示出了阀针11的针尖13的示例性构造，针尖具有环状凸起18。所述凸起导致一种所谓的导流边缘。这种边缘用于形成喷束3的有利结构，因而用于改善混合物的形成和燃烧。
图8示出了喷射阀10的喷孔14的一种示例性构造。在该实施形式中，当阀针11仅部分打开时，和图7的构造类似的是，也形成一个有利的导流边缘。与图7所示喷孔14的构造相反的是，喷孔14在此被倾斜地设置在喷射阀10的套筒19内，因而实现了射束的偏转。
图9示出了喷射阀10的喷孔14的另一种构造可能性。喷射孔14被如下地设计为锥形，即，在套筒19方面，喷射孔14的外部直径小于指向针尖13的内部直径。
图10是喷孔14的另一种详图，喷孔14可适当地在套筒19内侧倒圆。

Claims (23)

1.一种用于将燃料直接喷射到自点火式内燃机的燃烧室中的喷射阀(10)，所述喷射阀(10)具有可沿轴向运动的阀针(11)，所述阀针(11)可以密封地安放在针座(12)上且具有针尖(13)，所述针尖(13)在所述阀针(11)位于所述针座(12)上的位置中遮盖通往燃烧室的喷孔(14)，其特征在于用于调节所述阀针(11)的轴向升程以使得所述针尖(13)将所述喷孔(14)部分遮盖的可变的升程控制装置，其中，升程控制装置具有升程限制元件，升程限制元件通过在轴向上沿打开方向移动的阀针向上运动，直至升程限制元件上出现力平衡，或者升程限制元件机械地贴靠在上部升程限制位置中。
2.按权利要求1所述的喷射阀，其特征在于，在所述阀针(11)经过了预定的轴向升程后，所述喷孔(14)才被释放。
3.按权利要求1或2所述的喷射阀，其特征在于，为确定所述阀针(11)的轴向升程而使用发动机特征曲线(32)的数据。
4.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，通过操纵调节元件(36)让所述阀针(11)进行预定的轴向运动。
5.按权利要求4所述的喷射阀，其特征在于，所述调节元件(36)按照机械的、气动的或电子机械的或液压的工作原理工作。
6.按权利要求5所述的喷射阀，其特征在于，所述调节元件(36)的调节运动借助电磁件(37)、伺服电机或压电执行器进行。
7.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，所述阀针(11)的轴向运动是一种平衡运动，所述平衡运动由利用燃料压力和/或辅助介质压力对不同体积腔(5、6、8)进行的加载引起。
8.按权利要求4所述的喷射阀，其特征在于，最大阀针升程通过所述调节元件(36)的切换位置和临近的燃料压力的共同配合得到控制。
9.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，所述阀针(11)的最大升程借助升程限制元件(25)限制，所述升程限制元件(25)的定位由利用压力介质对不同体积腔(5、6、8)进行的加载和/或阀针的运动引起。
10.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，用于限制所述阀针(11)的最大升程的元件(25)在额定功率时被设置在其最大轴向位置中。
11.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，所述喷孔(14)的横截面被构造成，使得可以得到预定的喷射过程。
12.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，所述针尖(13)被构造成，使得在阀针针尖(13)上形成导流边缘。
13.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，被喷射的燃料的喷束造型通过阀针针尖(13)的几何形状实现。
14.按权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，被喷射的燃料的喷束造型通过所述喷孔(14)的几何形状实现。
15.按前述要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，被喷射的燃料的喷束造型通过阀针针尖(13)相对于所述喷孔(14)的位置实现。
16.按权利要求14所述的喷射阀，其特征在于，所述喷孔(14)与所述喷射阀(10)的径向成角度地设置。
17.按权利要求16所述的喷射阀，其特征在于，所述喷孔(14)被如下地设计为锥形，即，外部直径小于指向阀针针尖(13)的内部直径。
18.按权利要求16或17所述的喷射阀，其特征在于，所述喷孔(14)在指向阀针针尖(13)的内侧被倒圆。
19.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，对所述阀针(11)作最大升程的限定。
20.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，结合储存在控制器(31)中的发动机特征曲线(32)来确定喷射过程的参数。
21.按前述权利要求1至2之一所述的喷射阀，其特征在于，基于喷射持续时间的燃料体积流量变化通过所述阀针(11)的升程运动控制。
22.按权利要求7所述的喷射阀，其特征在于，所述加载是可调节的加载。
23.按权利要求9所述的喷射阀，其特征在于，所述加载是可调节的加载。
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