CN101614174A - 用于内燃机的设有平衡型计量伺服阀的燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的设有平衡型计量伺服阀的燃料喷射器，该燃料喷射器(1)具有喷射器主体(2)和控制杆(10)，该控制杆可在所述喷射器主体(2)内沿轴线(3)移动，以控制喷嘴的打开/关闭，该喷嘴将燃料喷射到发动机汽缸内；喷射器主体(2)容纳计量伺服阀(5)，该计量伺服阀设有控制腔室(26)和平衡型开/闭元件(47)，该开/闭元件的轴向滑动使控制腔室(26)内的压力产生变化；计量伺服阀(5)包括阀主体，该阀主体由通过可变形环(85)相互同轴地结合的两个构件(76，80)组成，该可变形环还限定了用于确保两个构件(80，76)之间的流体密封的密封垫，并且将形成有校准限制部(92)的盘(91)保持在固定位置。

Description

用于内燃机的设有平衡型计量伺服阀的燃料喷射器
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的设有平衡型计量伺服阀的燃料喷射器。
背景技术
从欧洲专利No.EP 1612403公知一种用于内燃机的燃料喷射器，该燃料喷射器包括：
壳体，该壳体终止于用于将燃料喷射到相应的发动机汽缸内的喷嘴；
可动阀针，该可动阀针用于关闭和打开喷嘴；
杆，该杆容纳在壳体内，并且可沿着其自身轴线滑动，以控制阀针的运动；和
计量伺服阀，该计量伺服阀容纳在壳体内，并包括：
a)致动器；
b)控制腔室，其与燃料入口及燃料出口通路连通，并具有校准部分，所述控制腔室的压力控制杆的轴向滑动；
c)开/闭元件，其由套筒所限定，该套筒可在致动器的作用下在关闭位置和打开位置之间轴向运动，在所述关闭位置，该套筒关闭排出通道，在所述打开位置，该套筒使排出通道打开，由此改变控制腔室中的压力，以关闭和打开喷嘴；和
d)轴向柄轴(stem)，其设置在相对于壳体固定的位置处，并具有外侧表面，排出通道的出口位于该外侧表面。
所述套筒以轴向可滑动且基本流体密封的方式安装在柄轴的外侧表面上，在关闭位置，该套筒关闭排出通道以使套筒受到的由燃料压力产生的轴向合力为零。在所述系统中，在计量伺服阀和由套筒限定的开/闭元件是所谓的“平衡”型的情况下，对致动器所要求的力较小，因而整体尺寸也较小。具体地说，即使开/闭元件的升程很小，也可以使燃料获得大的通路横截面积，因而有利于喷射器的动态性能，即，在打开和关闭行程结束时开/闭元件不会发生所谓的“弹回”现象。
该计量伺服阀具有由三个构件构成的所谓阀主体，这三个构件为：管状引导体，其在侧向上限定控制腔室并在轴向上引导所述杆；分配体，其包括轴向柄轴；以及盘，该盘在轴向上设置在管状引导体和分配体之间，并具有前述沿着轴向形成的校准部分。
上述已知的解决方案远远不能令人满意，因为为了保证从控制腔室流进出口通路的燃料的密封性，要精确地完成制造过程相对来说是很复杂的。事实上，上述已知的解决方案需要在多达四个流体密封金属表面上进行磨削操作，即，在分配体和盘之间轴向联接区域的表面以及在盘和管状引导体之间轴向联接区域的表面。
另外，所获得的管状引导体和盘之间的流体密封的理论平均直径相对较大，因此作用在具有所述直径的表面上的压力引起较大的轴向力，这样带来的缺点是产生相当大的变形，尤其是在盘上。一方面，所述变形导致开/闭套筒的升程相对于设计阶段所设想的有所偏差，另一方面，趋于使变形的盘和管状导流体之间的流体密封的理论平均直径进一步增大，从而导致这种情况逐步恶化。
另外，构成阀主体的三个构件的机加工、处理和组装的过程相当耗时和昂贵。为了克服这些缺点，例如从欧洲专利No.EP1621764di公知，将计量阀的阀主体制成一个单个构件。
该解决方案带来的问题是，需要极高的成本来保证非常严格的几何公差，尤其是轴向柄轴的轴公差，轴向柄轴的轴必须与引导杆的盲孔的轴线相重合(公差为微米级)。
另外，在阀主体由单一构件制成的情形下，要生产相互串联放置的两个以上的校准部分是非常复杂的，因此在理论上必须通过盲孔操作而在轴向上放置至少两个附加插入物，在该盲孔中对控制杆进行引导。
发明内容
本发明的目的是制造一种用于内燃机的具有平衡型计量伺服阀的燃料喷射器，其提供了一种解决上述问题的简单廉价的解决方案。
根据本发明，提供了一种用于内燃机的燃料喷射器，该喷射器终止于用于向相应的发动机汽缸中喷射燃料的喷嘴，所述喷射器包括：
中空的喷射器主体，该中空的喷射器主体沿着轴线方向延伸；
控制杆，该控制杆能够在所述喷射器主体中轴向运动，以控制所述喷嘴的打开/关闭；和
计量伺服阀，该计量伺服阀容纳在所述喷射器主体中，并包括：
a)电致动器；
b)阀主体，该阀主体相对于所述喷射器主体固定，并包括第一构件和至少一个第二构件；
c)控制腔室，该控制腔室由所述控制杆和所述第一构件限定，并与入口和排出通道连通，该排出通道形成在所述第一和第二构件中，并包括至少一个校准限制部；
d)轴向引导件，该轴向引导件形成所述第二构件的一部分，并具有侧表面，所述排出通道通过所述侧表面引出；
e)开/闭元件，该开/闭元件基本上以流体密封的方式与所述侧表面结合，从而在所述电致动器的作用下在关闭位置和打开位置之间轴向滑动，在所述关闭位置，该开/闭元件关闭所述排出通道，从而使所述开/闭元件受到的由燃料压力产生的轴向合力基本为零，在所述打开位置，该开/闭元件打开所述排出通道，从而改变所述控制腔室中的压力，并因而使所述控制杆轴向移动；和
f)穿孔主体，该穿孔主体在轴向上布置在所述第一构件和所述第二构件之间，并且在径向上限定所述排出通道的中间部分；
所述喷射器的特征在于，所述穿孔主体是容纳在所述第一和第二构件中的一个内的可变形环。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参照附图以非限制性示例的方式描述优选实施方式，附图是：
图1是根据本发明的用于内燃机的设有平衡型计量伺服阀的燃料喷射器的优选实施方式的剖视图，其中移除一些部分；和
图2是图1的放大详细视图。
具体实施方式
参照图1，附图标记1总体上表示用于内燃机(特别是柴油机)的燃料喷射器(只示出了一部分)。喷射器1包括中空主体或壳体2(通称为“喷射器主体”)，该中空主体或壳体2沿着纵向轴线3延伸，并具有侧向入口4，该侧向入口用于与以高压(例如1600巴左右的压力)输送燃料的管路相连。壳体2终止于注射喷嘴(在图中看不到)，该注射喷嘴通过通道4a与入口4连通，用于将燃料喷射到相应的发动机汽缸内。
壳体2限定了轴向空腔6，该空腔中容纳有计量伺服阀5，计量伺服阀5包括由附图标记76和80表示的两个构件组成的阀主体。
阀主体80包括：限定轴向盲孔9的管状部分8；端部82，其设有中央凸起12，该中央凸起12以悬臂方式相对于管状部分8的外圆柱表面11径向延伸，该中央凸起12与壳体2的内表面结合。端部82设有外凸缘33d(图2)，其相对于中央凸起12在径向上突出，被容纳在大直径轴向空腔6的部分34内，并与轴向空腔6的内肩部35在轴向上接触抵靠。
控制杆10可在孔9中以流体密封方式轴向地滑动，以便以公知方式控制未示出的开/闭阀针，该开/闭阀针用于关闭和打开注射喷嘴。
壳体2限定了另一个空腔14，该空腔与空腔6同轴，并容纳致动器15，该致动器15包括电磁体16和由电磁体16控制的缺口盘锚17。锚17与套筒18制成一体，套筒18沿着轴线3延伸。电磁体16包括磁芯19，磁芯19具有与轴线3垂直的表面20并限定出锚17的轴向止点，电磁体16被支撑件21保持适当位置。
致动器15具有容纳螺旋压缩弹簧23轴向空腔22，该螺旋压缩弹簧被预加载，从而在锚17上施加沿着轴向的推力，该推力与电磁体16施加的吸引力方向相反。弹簧23的一端抵靠在支撑件21的内肩部上，另一端通过垫圈24的轴向介入而作用在锚17上。
计量伺服阀5包括控制腔室26，该控制腔室由管状部分8的孔9的侧表面径向界定。该控制腔室26在一侧由杆10的端面25轴向界定，在另一侧由孔9的端面27轴向界定，其中杆10有利地具有截锥形形状。
控制腔室26通过在管状部分8中形成的通道28与入口4永久连通，以用于接收加压燃料。通道28包括校准部分29，并在一侧在端面27附近通向控制腔室26，而在另一侧通向由管状部分8的表面11和空腔6的内表面的环形沟槽31在径向上限定的环形腔室30。在轴向上的一侧，环形腔室30由凸起12界定，而在轴向上的另一侧，环形腔室30由垫片31a界定。通道32形成在壳体2内，与入口4连通，并通向环形腔室30。
主体76由单个构件制成，包括限定外凸缘33c的基部，并在轴向上由表面77(图2)界定，表面77被设置成在轴向上抵靠端部82。带螺纹的环形螺母36被拧入部分34的内螺纹37中，从而在轴向上将凸缘33c和肩部35之间的外凸缘33d固定在固定位置，因此表面77抵靠端部82，从而确保主体80和壳体2之间的流体密封。
主体76还包括用于引导锚17和套筒18的元件。所述元件由基本圆柱形的柄轴38限定，该柄轴38的直径比凸缘33c的直径小很多。柄轴38以悬臂方式从基部沿轴线3在主体80的相反侧(即朝向空腔22)延伸。柄轴38在外侧由圆柱形侧表面39界定，该圆柱形侧表面39引导套筒18的轴向滑动。具体地说，套筒18具有圆柱形内表面40，该内表面40基本以流体密封方式(即，通过在直径方向上具有适当游隙(例如小于4μm)的结合或者通过特定密封元件)结合至所述柄轴38的侧表面39。
控制腔室26与燃料排出通道永久连通，燃料排出通道整体上由附图标记42表示。
通道42包括轴向盲区部分43，该轴向盲区部分沿着沿轴线3形成在主体76中(一部分形成在基部中，一部分形成在柄轴38中)。通道42还包括至少一个径向出口部分44，该出口部分44在一侧通向盲区部分43，在另一侧通向由柄轴38的侧表面39上的环形沟槽限定的腔室46。
具体地说，设有在直径方向上彼此相对的两个出口部分44。
腔室46形成在与基部相邻的轴向位置处，并通过套筒18的端部而开/闭，套筒18限定了用于通道42的开/闭元件47。具体地说，开/闭元件47终止于具有截锥形的内表面48，该内表面48与基部和柄轴38之间成圆角的形状类似截锥形的表面49相接合，以限定出密封区域。
套筒18与锚17一起在柄轴38上在前进行程结束位置和缩回行程结束位置之间滑动。在前进行程结束位置，开/闭元件47关闭腔室46从而关闭通道42的出口部分44的出口。在缩回行程结束位置，开/闭元件47充分地打开腔室46以使得出口部分44能够通过通道42和腔室46排出控制腔室26的燃料。由开/闭元件47打开的通道的截面具有类似截锥形的轮廓，而且比单个出口部分44的通道截面大至少三倍。
套筒18的前进行程结束位置由开/闭元件47的表面48的截止(arrest)来限定，表面48抵靠在基部和柄轴38之间倒圆角的截锥形表面49上。而套筒18的缩回行程结束位置由轴向抵靠磁芯19的表面20的锚17的截止来限定，其中非磁性填隙板51插设在锚17与表面20之间。在缩回行程结束位置，腔室46被设定成通过环形螺母36和套筒18之间的环形通路、锚17的缺口、腔22以及支撑件21的开口52与喷射器(未示出)的排出通道相连通。
当电磁体16被通电时，锚17与套筒18一起朝着磁芯19移动，从而使开/闭元件47打开腔室46。于是，燃料被从控制腔室26中排出：通过这种方式，控制腔室26中的燃料压力减小，导致杆10朝着端面27轴向移动，从而注射喷嘴。
反之，通过使电磁体16断电，弹簧23将锚17和开/闭元件47一起运送到前进行程结束位置。通过这种方式，腔室46被关闭，进入通道28的压力燃料在控制腔室26中恢复高压，使得杆10从端面27移开，并控制注射喷嘴的关闭。在前进行程结束位置，如果腔室46中的压力只径向作用在套筒18的侧表面40上，那么燃料施加在套筒18上的推力的轴向合力基本为零。
为了控制开/闭元件47打开和关闭时控制腔室26中的压力变化率，通道42包括一个或多个校准限制部。
术语“限制部”的意思是指一个通道部分，在该通道部分中，用于燃料的整个有效通路截面积小于燃料流在该通道部分的上游和下游遇到的通路截面积。具体地说，如果燃料在单个孔中流动，则由所述单个孔限定该限制部；另一方面，如果燃料在多个并行的孔中流动从而在上游和下游之间受到相同的压降，那么由所有所述孔限定该限制部。
特别是关于校准，对于直径相对较小的孔来说，可以通过进行实验性的修整操作精确地获得该校准，即这样来进行：通过使研磨液体在预先制成的孔(例如，通过电侵蚀或通过激光)中流动，设定所述孔的上游压力和下游压力并检测流量。随着液体在孔的侧表面上产生的研磨(液力侵蚀或液力研磨)，所述流量逐渐增大，直到达到预设值。此时，流动被中断：在使用中，使孔的上游压力等于在修整操作期间设定的压力，所获得的最终通路截面积所限定的压降等于在修整操作期间所述孔的上游截面和下游截面之间的压差，并且燃料流量等于流量的预设值。
如果校准限制部不止一个，那么将它们相互串联布置。
参照图2，沿着通道42相互串联布置的限制部(限制部的直径只是定性地示出而不是成比例的)有三个：其中一个由两个出口部分44整体限定；另一个由附图标记53表示，并在轴向上形成在主体80的端部82中；最后一个由孔92限定，该孔形成在相对于主体80和76是附加的或分离的元件中，具体是形成在容纳于主体76内的盘91中。
例如，通道42的限制部53和92的直径在150μm到300μm之间，而部分43利用普通钻孔形成在主体76中，且不需要特别精度，所获得的直径比校准限制部的直径至少大四倍。
在使用时，当开/闭元件47处于打开位置时，在控制腔室26和排出通道之间产生的压降被分成的数量与沿着通道42串联布置的校准限制部的数量一样多。
根据一个变型例(未示出)，校准限制部53形成在与主体80结合的插入件中，并且轴向长度具有等于或小于所述插入件的轴向长度，所述插入件例如在面对控制腔室26的一侧上或面对表面77的一侧上轴向地装配在端部82中。
根据另一个变型例(未示出)，只有一个部分44设有校准限制部，该校准限制部的通路截面积基本等于各个部分44的通路截面积之和。
另外，作为部分44的替代方案，主体76的校准限制部可以由倾斜出口部分限定，或者由构成部分43的端部的轴向盲区部限定。
校准限制部53的两个相对端通向通道42的相应部分83、84。部分83、84同轴，并且具有比校准限制部53大但与部分43具有相同数量级的直径。部分83由部分82中的孔限定，并直接与控制腔室26连通；而部分84由密封环85的内部空间限定，该密封环由塑料材料制成(优选由品牌名为“turcite”(注册商标)的公知材料制成)，因而该密封环可变形的程度比主体76和80的金属材料大，并且该密封环一部分容纳在部分82的圆筒形座86内，一部分容纳在主体76的基部的圆筒形座90内。
座86和90同轴并具有相同的直径。座90容纳着盘91，盘91被保持成通过密封环85在轴向上抵靠座90的端部，密封环85被轴向压缩在座86的一端和盘体91之间。
密封环85是圆筒形的，具有长方形或正方形的径向截面，外径大体等于座90和86的直径，并限定出一个中央构件，用于将主体80和76在同轴位置彼此相联。换句话说，密封环85具有三个作用：在联接期间使主体80和76之间轴向定心；在主体80和76之间围绕通道42中的燃料流进行密封；使盘91在座90上定位。
在装配步骤中，密封环85的可变形性使主体80和76之间可能产生的错位误差轻微恢复，使得孔9和轴向柄轴38之间同轴所需的精度小于在主体76和80构成的阀主体是单一构件时所需的精度。
将阀主体制成两个构件使得机加工、检查以及将盘91插入座90之前对轴向盲区部分43的清洗都能变得相对简单。因此可以非常简单快速地在主体76和80之间设置附加元件91，并且可以将该附加元件91保持在固定位置，在该附加元件91上形成有校准限制部92。
借助于激光剪切(photoshearing)工艺在盘上设置限制部(如果要在盘上设置限制部的话)非常简单且廉价。
由于压缩产生的弹性形变，可以利用环85在主体80和76之间获得有效的密封。其中获得所述密封的直径由于所具有的尺寸以及环85的中心位置而相对较小，使得燃料压力轴向作用的面积较小，从而与公知没有可变形元件的解决方案相比，能够限制燃料在主体76和80之间施加的轴向推力。因此，套筒18的升程与设计阶段所设想的升程相当，并且在喷射器的整个使用寿命期间都保持基本相同。
最后，很清楚的是，在不背离本发明的所附权利要求所限定的保护范围的前提下，可以对本文所描述和示出的喷射器1进行修改和变化。
具体地，平衡型计量伺服阀5可以包括开/闭元件，该开/闭元件由可在套筒内滑动的轴向销限定，该套筒相对于壳体2固定，并限定通道42的端部。
致动器15可以替换为压电致动器，当施加电压时，该压电致动器增大其轴向尺寸以致动套筒18，从而使该套筒18打开通道42的出口。
另外，可以将腔室46至少部分地挖设在表面40中，但是要满足如下要求：即当套筒18限定的开/闭元件47被置于关闭行程结束位置时，该套筒18沿轴线3受到的压力合力为零。
所述部分44的轴线可以位于彼此不同平面上，并且/或者绕轴线3并不是全部都等间隔分布，并且/或者所述校准孔可以只限于在部分44中的一部分上。
通道42相对于轴线3可以不对称；例如，所述部分44可以具有彼此不同的截面和/或彼此不同的直径，但是一旦再次为了产生恰当的压降而校准，那么应该使得围绕轴线3产生平衡的燃料流量并且该燃料流量不会随着时间而改变。

Claims (13)

1、一种用于内燃机的燃料喷射器(1)，该喷射器终止于用于向相应的发动机汽缸中喷射燃料的喷嘴，所述喷射器包括：
中空的喷射器主体(2)，该中空的喷射器主体(2)沿着轴线方向(3)延伸；
控制杆(10)，该控制杆(10)能够在所述喷射器主体(2)中轴向运动，以控制所述喷嘴的打开/关闭；和
计量伺服阀(5)，该计量伺服阀(5)容纳在所述喷射器主体(2)中，并包括：
a)电致动器(15)；
b)阀主体，该阀主体相对于所述喷射器主体(2)固定，并包括第一构件(76)和至少一个第二构件(80)；
c)控制腔室(26)，该控制腔室(26)由所述控制杆(10)和所述第一构件(76)限定，并与入口(4)和排出通道(42)连通，该排出通道形成在所述第一和第二构件(80，76)中，并包括至少一个校准限制部(53，44，92)；
d)轴向引导件(38)，该轴向引导件(38)形成所述第二构件(80)的一部分，并具有侧表面(39)，所述排出通道(42)通过所述侧表面引出；
e)开/闭元件(47)，该开/闭元件(47)基本上以流体密封的方式与所述侧表面(39)结合，从而在所述电致动器(15)的作用下在关闭位置和打开位置之间轴向滑动，在所述关闭位置，该开/闭元件关闭所述排出通道(42)，从而使所述开/闭元件受到的由燃料压力产生的轴向合力基本为零，在所述打开位置，该开/闭元件打开所述排出通道(42)，从而改变所述控制腔室(26)中的压力，并因而使所述控制杆(10)轴向移动；和
f)穿孔主体(85)，该穿孔主体(85)在轴向上布置在所述第一构件和所述第二构件之间，并且在径向上限定所述排出通道(42)的中间部分(84)；
所述喷射器的特征在于，所述穿孔主体是容纳在所述第一和第二构件(80，76)中的一个内的可变形环(85)。
2、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述可变形环一部分容纳于形成在所述第一构件中的第一座内，一部分容纳于形成在所述第二构件中的第二座内，以保持所述第一和第二构件相对于彼此处于同轴位置。
3、如权利要求2所述的喷射器，其特征在于，所述第一座和第二座以及所述可变形环是圆筒形的。
4、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述可变形环是可弹性变形的，并被压缩以确保所述第一构件和第二构件之间的流体密封。
5、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，该喷射器包括附加元件，该附加元件用于限定所述校准限制部，并被布置成使其在一侧轴向抵靠所述第一构件和第二构件中的一个，而在另一侧抵靠所述可变形环。
6、如权利要求5所述的喷射器，其特征在于，所述附加元件是轴向抵靠所述第一构件和所述第二构件中的一个的盘。
7、如权利要求5所述的喷射器，其特征在于，所述排出通道(42)包括三个串联的校准限制部，其中两个校准限制部布置在所述轴线方向(3)上，剩下的一个校准限制部(92)由所述附加元件限定。
8、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述排出通道(42)包括串联布置的第一校准限制部和第二校准限制部，所述第一限制部(53，92)布置在所述轴线方向(3)上，所述第二限制部形成在所述排出通道(42)的径向部分中。
9、如权利要求8所述的喷射器，其特征在于，所述第二限制部由相对于所述轴线方向在径向上形成的两个或多个并列的限制部构成。
10、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述第一和第二构件(76，80)被设置成互相直接轴向抵靠。
11、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述可变形环由塑料材料制成。
12、如权利要求11所述的喷射器，其特征在于，所述可变形环由“turcite”材料制成。
13、如权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述轴向引导件由柄轴(38)限定，所述开/闭元件由套筒(18)限定。
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