CN101765712B - 流体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷射器，该喷射器包括：喷嘴，所述喷嘴包括开口和基座；针状件，该针状件移动地安装在该喷嘴中并具有端部，该端部在与基座接触的区域中限定阀；用于使阀振动的机构；声阻抗中断的第一区域，该第一区域沿着喷嘴与阀相距第一距离；另一声阻抗中断的第一区域，该另一第一区域沿着针状件与阀相距第二距离。根据本发明，第一和第二距离均设计成，使得声波沿着所述距离的相应传播时间是：Ti＝ni×[ζ/2]，式中ni是与零不同的正整数系数，而i＝3用于第一距离，i＝4用于第二距离，ζ是振动周期。

Description

流体喷射装置
技术领域
本发明涉及一种用于喷射尤其用于内燃机的流体例如燃料的装置。
更确切地说，本发明在其第一方面涉及这样一种流体喷射装置，该流体喷射装置包括：
-喷嘴，该喷嘴具有一沿轴线的长度，并包括喷射孔和基座，该喷嘴在所述轴线上的相对端处连接到第一体部上，
-针状件，该针状件在所述轴线上具有一长度和一在与基座的接触区中限定阀元件的第一端，该针状件在该轴线上的相对端处连接到第二体部上，该第二体部安装成可在第一体部中沿轴向移动，
-用于振动的机构，以便使第一端和/或喷嘴以设定周期τ振动，因此保证它们之间在所述轴线上的、适于交替地打开和关闭阀元件的相对运动，喷嘴与第一体部和针状件与第二体部分别形成用于传播声波的第一和第二介质，各介质都具有由下列方程定义的线性声阻抗：I＝∑×ρ×c，式中∑是介质垂直于轴线的截面表面(面积)，ρ是介质的密度，c是声音在介质中的速度，
-至少一个线性声阻抗中断的区域以及至少一个线性声阻抗中断的另外的区域，该至少一个线性声阻抗中断的区域距离基座沿喷嘴或第一体部与第一端接触的区域一定的距离，该至少一个线性声阻抗中断的另外的区域距离第一端沿针状件或第二体部与基座接触的区域一定的距离，以及
-所述线性声阻抗中断的区域或线性声阻抗中断的另外的区域都是沿声波传播方向从所述针状件的第一端与基座接触的区域开始的第一个区域，所述声波传播方向分别朝向第一和第二体部定向。
这种喷射装置称为喷射器，它使得能在喷射器的受控制的频率例如是超声波和在受控制的振幅下，尤其是在形成其运行速度期间，也就是说在喷射器的起动和停止阶段外部预定的温度下运行期间，实现设定周期为τ的周期性打开。流体从喷嘴排出时所形成的层在打开阀元件时破裂并形成细的液滴。在喷射器用于将燃料喷到内燃机中的应用中，细的液滴有利于形成更均质的空气-燃料混合物，这使发动机较少被污染并且更经济。
背景技术
按照已知装置，阀元件的周期性打开是借助于常规振动机构例如压电机构和/或带有相应激励机构的磁致伸缩机构实施的。振动机构例如布置在致动器中，所述致动器将电能首先转变成致动器的具有设定周期τ的振动，然后转变成针状件以及因此其相对于喷嘴的基座激发的第一端的、具有设定周期τ的纵向交替运动。为了当阀元件打开时提供足够的燃料流量，针状件的头部和喷嘴必需制成基本上反相共振。为此，已知将针状件及喷嘴的特征长度选择成，使得在形成针状件和喷嘴的相应材料中的声波传播时间等于振动周期的四分之一τ/4，或等于所述四分之一周期的奇数倍-即等于[2n+1]×τ/4，式中n是正的非零整数系数。这样形成的共振式“针状件/喷嘴”结构在燃烧室中在低的压力-例如等于或小于5MPa的压力-下产生阀元件的高打开幅度。逐渐地，随着在压缩循环期间喷射燃料，燃烧室中的压力-因此阀元件的背压-增加。该背压也可以按照发动机的运行点改变。在背压增加的情况下，针状件的第一端对其基座冲击的强度即使被燃料层减缓也将变得越来越大，这些冲击在共振式“针状件/喷嘴”结构中作为常规四分之一波长[2n+1]×τ/4的反馈产生冲击之间的结合，并通过改变阀元件的打开幅度从其基座升起针状件的第一端。如果冲击持续，则头部的升起变得混乱，共振的好处丧失，阀元件的打开变得紊乱，这样可能使燃料流量难以控制。
发明内容
基于此，本发明的目的是提出一种燃料喷射装置，该燃料喷射装置至少用来减少上述限制中的至少一个。为此，针对根据前序所提出的一般定义所述的喷射装置，尤其提出：
-基座与第一端接触的区域和沿着喷嘴或第一体部的第一线性声阻抗中断的区域之间的距离称为第一距离，该第一距离设计成使得由振动机构产生并在该第一距离上行进的声波的传播时间T3满足下列方程：T3＝n3×[τ/2]，式中n3是倍增系数(乘法系数)，它是非零正整数，以及
-第一端与基座接触的区域和沿着针状件或第二体部的第一线性声阻抗中断的区域之间的距离称为第二距离，该第二距离设计成使得由振动机构产生并在该第二距离上行进的声波的传播时间T4满足下列方程：T4＝n4×[τ/2]，式中n4是倍增系数，它是非零正整数。
由于喷射器的这种称为半波周期的安排，所以冲击的回波以针状件的激励的设定周期τ的唯一整倍数延迟返回。通过燃烧室中的背压波在喷嘴的基座处产生的冲击可以与其中应力变得很高的状况相联系。这种情况类似于代表喷射器在半波周期下“阻挡位移”型范围内的状况，对于该状况位移为零而应力可以是任何值。针状件的第一端对基座的冲击然后在喷嘴中传播，随后返回到定相一个周期，这样动态保持喷射器的基座固定。阀元件的打开和尤其是该打开的幅度因而对背压不是很敏感。这样的结果是通过喷射器能更好控制燃料流量。
按照另一方面，本发明涉及一种利用本发明的燃料喷射装置的内燃机，也就是其中安放有所述喷射装置的发动机。
喷射器可以具有这样的针状件，即，该针状件的第一端通过面向外的头部在第二体部的相对端处沿纵向延伸；该喷射器还可以具有这样的针状件，即，该针状件的第一端通过面向内的头部在第二体部的另一端处沿纵向延伸。
带外伸的头部的针状件具有沿喷射器的轴线方向发散式扩张的形状，该形状在内燃机中从第一体部指向喷嘴的外侧。优选地，带外伸的头部的喷嘴具有截锥形(截头锥形)发散式扩张的形状。该外伸的头部在喷嘴的沿喷射器的轴线方向远离第一体部定向的外侧封闭该基座。
具进入头部的针状件在从第一体部指向喷嘴外侧的轴线方向上变窄，并在指向第一体部的喷嘴内侧封闭基座。因为头部变窄，所以它的表面较少暴露于受背压波。同样，它的重量较小，这使得冲击时基座上的应力的幅值最小。喷射器的装配变得更容易，因为能首先将具进入头部的针状件安装在包括致动器的第二体部上，然后插到第一体部中。具进入头部的针状件趋向于在重力的作用下放到基座上。因此喷射器绝对安全地运行。在第二体部的返回机构出现故障或者甚至没有所述返回机构的情况下，阀元件也保持处于关闭位置，因此将喷射器与外伸的头部密封在一起。而且，针状件的偶然断裂意味着它的断开部分仍在喷射器的体部中，而没有落到发动机的气缸中的危险。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从下面参照附图作为非限制性示例给出的说明中显而易见，在附图中：
图1是本发明的喷射装置的示意图，该喷射装置安装在发动机中，并装配有带外伸头部的针状件，所述外伸头部连接到包括第二致动器的第二体部上，
图2是本发明的喷射装置的示意图，该喷射装置安装在发动机中，并装配有带进入头部的针状件，所述进入头部连接到包括第二致动器的第二体部上，
图3是本发明的喷射装置的示意图，该喷射装置安装在发动机中，装配有带外伸头部的针状件和包括第一致动器的第一体部，
图4是本发明的喷射装置的示意图，该喷射装置安装在发动机中，装配有带进入头部的针状件和包括第一致动器的第一体部，
图5和6示意性示出由喷嘴和带外伸头部的针状件所形成的阀元件的运行：阀元件关闭(图5)；阀元件打开(图6)，
图7和8示意性示出由喷嘴和带进入头部的针状件所形成的阀元件的运行：阀元件关闭(图7)；阀元件打开(图8)，
图9和10分别用简化的侧视图示意性示出局部纵剖面：取柱形杆形状的单体针状件(图9)；包括三个分段的复合针状件(图10)，
图11和12分别用简化的侧视图示意性示出局部纵剖面：柱形单体喷嘴(图11)；包括三个分段的复合喷嘴(图12)，
图13-16示出与带外伸头部的针状件有关的各种不同装配图，
图17-20示出与带进入头部的针状件有关的各种不同装配图，
图21-24示出针状件和第二致动器之间的各种不同装配图，
图25-26用侧视图示意性示出带外伸头部的针状件的变型，
图27用侧视图示意性示出带进入头部的针状件的变型。
具体实施方式
图1、3(或2、4)的喷射装置或喷射器设计成能将流体例如燃料C喷射到内燃机M的燃烧室15中或喷射到未示出的进气管道中。
该喷射器包括两个体部，所述两个体部例如为柱形。代表外壳的第一体部1在喷射装置的优选轴线AB-例如它的对称轴线-上通过至少一个喷嘴3延伸，该喷嘴3在该轴线AB上具有一长度并包括喷射孔和基座5(或5’)。第一体部1的线性尺寸，例如它的垂直于轴线AB测得的宽度和/或它的沿着轴线AB测得的长度，可以大于喷嘴3的尺寸。第一体部1的密度可大于喷嘴3的密度。第一体部1可以通过至少一个开口9连接到至少一个燃料C的回路130上。燃料C的回路130包括用于处理燃料C的装置13，该装置13包括例如燃料箱、泵和过滤器。
第二体部200安装成能在第一体部1中轴向移动。针状件4在轴线AB上有一长度和第一端6，该第一端6在与喷嘴3的基座5(或5’)接触的区域中限定阀元件。第二体部200的线性尺寸，例如它的垂直于轴线AB测得的宽度和/或它的沿轴线AB测得的长度，可以大于针状件4的宽度和/或长度。第二体部200的密度可以大于针状件4的密度。针状件4和第二体部200通过接合区ZJ连接在一起(图3)。第一端6优选沿轴线AB通过关闭基座5(或5’)的头部7(或7’)延伸，以便保证喷射器的阀元件的更好的密封。可设置第二体部200的返回机构11(或11’)，以便保持针状件4的头部7(或7’)压靠喷嘴3的基座5(或5’)。因此，无论燃烧室15中的压力如何，该返回机构11(或11’)都关闭阀元件。返回力施加在第二体部200上的点的位置无关紧要。可以通过预加应力的螺旋弹簧提供返回机构11(或11’)，该螺旋弹簧在轴线AB上相对于燃料C流到喷嘴3的方向放置第二体部200的下游(图1、3)或者第二体部200的上游(图2、4)。返回机构11(或11’)也可以由例如液压缸型的射流机构形成，该射流机构以燃料C为工作液体。由第一体部1的各个部件的膨胀导致的间隙因此有利地被返回机构11(或11’)占据，从而在发动机M的不同运行速度期间燃料C的流量往往会保持对热变化不敏感。
此外，喷射器包括振动机构，以用于使第一端6和/或喷嘴3以设定周期τ振动，因此保证它们之间的、在所述轴线AB上的、适于择一地打开和关闭阀部件的相对运动，如图5-6和7-8中所示。所述振动以预定的频率υ例如超声波频率工作，该频率的范围可以是约υ＝20KHZ至约υ＝60KHZ，也就是说，以50微秒至16微秒的设定周期τ振动。作为例子，在υ＝50KHZ(τ＝20微秒)下振动的波长λ为约10-1m。
按照图3(或4)中所示的实施例，第一体部1包括称为第一致动器20的致动器，它形成振动机构的一部分，并且适于与第一体部1和喷嘴3一起将振动传送到该喷嘴3的基座5(或5’)。在这个实施例中，振动机构包括称为第一电活性芯的电活性芯141和用于激励该第一电活性芯141的机构(未示出)，该第一电活性芯放置成作用在第一致动器20上，该用于激励第一电活性芯的机构适于使该电活性芯以设定周期τ振动。
按照图1(或2)中所示的实施例，第二体部200包括称为第二致动器2的致动器，它形成振动机构的一部分、通过针状件4沿轴线AB延伸并且适于与第二体部200和针状件4一起将振动传递到该针状件4的第一端6。在这个实施例中，振动机构包括称为第二电活性芯的电活性芯141以及用于激励该第二电活性芯141的机构(未示出)，该第二电活性芯放置成作用在第二致动器2上，该用于激励第二电活性芯的机构适于使该第二电活性芯以设定周期τ振动。
按照未示出的另一实施例-该实施例代表前述两种模式的组合，喷射器可以包括第一和第二致动器二者，该第一和第二致动器分别适于与第一体部1和喷嘴3以及第二体部200和针状件4一起将振动分别传送到喷嘴3的基座5(或5’)和针状件4的第一端6二者。
优选地，第一和/或第二电活性芯141可以借助于压电材料制成。压电材料的在喷射器中产生声波的选择性变形，例如以设定周期τ进行的周期性变形，最后导致头部7(或7’)相对于基座5(或5’)的相对运动或基座5(或5’)相对于头部7(或7’)的相对运动，以便适于交替地打开和关闭阀部件，如上面参照图5-6和7-8所述。这些选择性变形由相应激励机构控制，例如借助于由施加到电极上的电位差所产生的电场控制，所述电极固定到压电材料上。可供选择地，第一和/或第二电活性芯141可以借助于磁致伸缩材料制成。磁致伸缩材料的选择性变形由相应激励机构控制，例如借助于由选择性的磁场产生的磁感应控制，所述磁场例如借助于未示出的激励器和尤其是通过固定到第二体部200上的线圈实现。
上述方案的结果是喷嘴3和第一体部1一起及针状件4和第二体部200一起分别形成用于传播声波的第一和第二介质。这两个介质各自的沿轴线AB的声音性能可以借助于声阻抗I表示，例如对于每个垂直于轴线AB的介质截面而言，该声阻抗取决于介质的几何形状，尤其是取决于垂直于轴线AB的介质截面的表面∑、取决于介质的密度ρ及取决于声音在介质中的速度c：I＝f(∑、ρ、c)。为了举例说明这种比例，考察与针状件4或喷嘴3有关并分别在图9-10和11-12中示出的各种不同的简化示例。为了简化起见，应该理解，对所有这些例子，喷射器都装有单个第二致动器2，该第二致动器2与第二体部200不易区分。为了打开对燃烧室15中的压力不太敏感的喷射器的阀元件，喷射器运动地控制针状件4的第一端6，而喷嘴3的基座(在图9-12中用简化的方式表示并具有标号50)保持静止或固定，因此就像振动节点一样动作。
针状件4和喷嘴3均作为体部示出，它们的垂直于轴线AB的径向尺寸比其沿轴线AB的长度小。在此处作为针状件4的简化模型列举的实心杆400(图9)中或者在此处作为喷嘴3的简化模型列举的纵向穿孔杆300(图11)中，声波的传播结合了应力跳动Δδ和速度跳动Δv的传播，其方程为：Δδ＝∑×z×Δv，式中∑是杆件垂直于优选轴线例如其对称轴线的截面的表面，z是声阻抗，该声阻抗由下面的方程定义：z＝ρ×c，式中ρ是杆的密度，而c是声音在杆中的速度。应该理解，应力δ对于缩作用为正数，速度v在入射声波的传播方向上为正，该入射声波即由致动器2开始朝向针状件4的第一端6的声波。乘积I＝∑×z＝∑×ρ×c代表杆件-实心的或空心的-声音性能，该声音性能在后面称为“线性声阻抗”或“线性阻抗”。
线性声阻抗I中的任何变化都感生回声，也就是说，例如在针状件4和致动器2之间的接合处(图9)或在喷嘴3和第一体部1之间的另一接合处(图11)，从线性阻抗I的变动点起，沿杆的一个方向(例如在图9、11中从右向左)传播的声波被沿该杆的相反方向(例如在图9、11中从左到右)传播的另一声波减弱。该理由可同样适用于任何线性阻抗中断I，术语“中断(断裂，rupture)”应理解为“预定区域的、相对于声波传播方向的、超过预定阈值的线性阻抗变化I，该预定阈值代表上游和下游线性阻抗之间的差值，该预定区域称为线性阻抗中断的区域，其位于声波传播的介质中并且将该介质分成具有不同声音性能的至少两个部分”。
喷射器包括至少一个线性声阻抗中断的区域，该区域位于距基座50沿喷嘴3(图11)或第一体部1与针状件4的第一端6的接触区域一定距离处，该喷射器还包括至少一个另外的线性阻抗中断的区域，该另外的区域位于距第一端6沿针状件4(图9)或第二体部200与基座50的接触区域一定距离处。所述线性声阻抗中断的区域和另外的区域均为在声波传播方向上的、从所述针状件4的第一端6与基座50接触的区域开始的第一个区域，该传播方向分别指向第一体部1和第二体部200。
如图1和3(或2和4)中示意性示出的，基座5(或5’)和第一端6间的接触区域与沿着喷嘴3或第一体部1的线性声阻抗中断的第一区域之间的距离称为第一距离L3，该第一距离设计成使得由振动机构2开始并在该第一距离L3＝f3(T3)上行进的声波的传播时间-称为“声音飞行时间”T3满足下面的方程：
T3＝n3×[τ/2]    (E1)
式中n3是倍增系数，它是非零的正整数并称为第一倍增系数。第一端6和基座5(或5’)间的接触区域与沿着针状件4或第二体部200的线性声阻抗中断的第一区域之间的距离称为第二距离L4，该第二距离设计成使得由振动机构2开始并在该第二距离L4＝f4(T4)上行进的声波的传播时间-称为“声音飞行时间”T4满足下面的方程：
T4＝n4×[τ/2]    (E2)
式中n4是另一倍增系数，它是非零的正整数并称为第二倍增系数，例如，n4≠n3。
应该理解，上述方程E1和E2必需认为在一定的误差范围内是有效的，以便考虑制造限制，例如，设定周期τ的约±10％的误差，也就是半设定周期τ/2的约±20％的误差。若考虑该误差，则上述方程E1和E2可以分别重写如下：
T3＝n3×[τ/2]×[1±0.2]    (E1’)
T4＝n4×[τ/2]×[1±0.2]    (E2’)
应该注意，实际上，对工业规模制造的相应部件测得的表示成声音飞行时间T3的第一距离L3＝f3(T3)和表示成声音飞行时间T4的第二距离L4＝f4(T4)可相对于借助上述方程E1和E2计算的基准值略微变化。这些轻微变化可能是由于附接的重量的影响。附接的重量可以对应于例如处在与喷嘴3中针状件4的端部6的轴线AB垂直的平面中的针状件4的头部7(7’)和/或导向凸起(未示出)。所述误差使得可将所述附着重量的影响考虑在内，以便分别借助于上述方程E1’和E2’校正第一和第二距离的声音飞行时间表达式：
L3＝f3(T3)＝f3(n3×[τ/2]×(1±0.2))
L4＝f4(T4)＝f4(n4×[τ/2]×(1±0.2))
优选地，对于第一和第二倍增系数n3＝n4，此处尤其是n3＝n4＝1，以便使喷射器在轴线AB上的线性尺寸最小，从而为入口和/或排放管道留出尽可能多的空间。因此，从基座5(或5’)和针状件4的第一端6间的接触区开始，喷嘴3在代表第一距离L3＝f3(T3)的连续长度上具有恒定的声音性能，这些声音性能在声音飞行时间上基本彼此相等，且其中声音飞行时间T3优选地等于单个半设定周期τ/2。类似地，从基座5(或5’)和针状件4的第一端6间的接触区开始，该针状件在代表第二距离L4＝f4(T4)的连续长度上具有恒定的声音性能，这些声音性能在声音飞行时间上基本彼此相等，其中声音飞行时间T4优选地等于单个半设定周期τ/2。
为使装配更容易，在第一距离L3＝f3(T3)的至少90％上，喷射器在线性声阻抗上可以有变动，该变动小于或等于5％，这种变动不被认为是线性声阻抗中断。类似地，在第二距离L4＝f4(T4)的至少90％上，喷射器可以有线性声阻抗的另外变动，该变动小于或等于5％，这种变动不被认为是线性声阻抗中断。
在确定其运行的速度期间，也就是在喷射器的排除起动和停止阶段的预定温度下的运行期间，喷射器有利地使得可以以对燃烧室15中的压力不太敏感的方式交替打开和关闭阀元件。在图1所示的实施例中-该实施例代表具有与针状件4相连的单个第二致动器2的情况，即涉及控制通过针状件4的头部7延伸的第一端6的运动，又涉及保持喷嘴3的基座5动态固定。如上所述，针状件4的头部7的运动控制借助于选择性变形进行，例如借助于通过第二致动器2传递到针状件4的第二电活性芯141的设定周期τ的周期性变形进行。基座5借助使它在轴线AB上的纵向速度保持等于零，同时利用声波传播的现象的周期性来保持动态固定。针状件4的头部7以设定周期τ落到基座5上期间的阀元件的每次关闭都形成冲击。该冲击产生声波，该声波称为入射波并与速度的跳动Δv和应力的跳动Δδ有关。当在第一距离L3中行进时该声波在喷嘴3中朝第一体部1传播，然后在线性声阻抗中断的第一区域中被反射，该第一区域在图1中与喷嘴3装配到外壳1中的位置不能区分，所述外壳1在垂直于轴线AB的平面中具有比喷嘴3的截面大得多的截面。当入射波已被反射后，它的回波-称为反射波-返回到喷嘴3，以便在横向方向上行进第一距离L3，也就是从第一体部1行进到基座5。反射波具有与作为入射波的应力跳动Δδ相同的符号和与作为入射波的速度跳动Δv相反的符号。如果第一距离优选取决于方程：L3＝f3(T3)＝f3(n3×[τ/2])，则反射波在通过因阀元件关闭而导致的冲击产生新入射波的时刻到达基座5，针状件4的头部7的运动也取决于第二距离L4，该第二距离优选地与半设定周期τ/2的倍数有关：L4＝f4(T4)＝f4(n4×[τ/2])。这样的结果是，在基座5中，应力被保持而速度消失。因此基座5具有振动节点。在这些条件下，燃烧室15中压力的变化将感生冲击的放大作用，但不改变它们的同步性。因此喷射器的运行将不受燃烧室15中这种压力变化的影响。
为了当两个对应的波-即入射波和反射波-交叉时实现应力跳动Δδ的一致性，声波在阻抗中断的第一区域处的反射必需尽可能大，甚至优选全反射。该全反射的条件是既定的，其适合于插到外壳1中的喷嘴3，该外壳1则与气缸头8相关联，这种配置能类似于有限直径的杆插入无限体部中的理想情况。由于致动器2的有限尺寸，所以声波在针状件4和致动器2(或第二体部200)间的接合区域ZJ中的全反射难以实现。假定在接合区ZJ中，第二体部200具有线性声阻抗IAC-ZJ，针状件4具有线性声阻抗IA-ZJ(图3)。如果比值IAC-ZJ/IA-ZJ大于预定值，则可以得到声波在接合区ZJ中的实际全反射方面令人满意的折衷方案。优选地，下列关系被证实：IAC-ZJ/IA-ZJ≥2.5。
鉴于上述细节，应该理解，在一般情况下，对于第一和第二倍增系数如n3≠n4，入射波和反射波偏移数个周期τ，所述周期在基座5中相互补偿，以使该基座动态固定。当例如n3和n4之间的差值大于预定值时和/或声波在喷嘴3中的消散(和最后，它的线性声阻抗的消散)超过某个阈值时，这种补偿不能全部补偿。这就是为什么喷射器构造成n3＝n4且尤其是n3＝n4＝1看起来是比n3≠n4的情况在声音上更可靠且保证优选的原因。
应该理解，分别与用于传播声波的第一“喷嘴3+第一体部1”和第二“针状件4+第二体部200”介质有关的第一距离L3＝f(T3)和第二距离L4＝f(T4)在声学范围内优选地借助于相应声音飞行时间T3＝n3×[τ/2]和T4＝n4×[τ/2]限定。后者由于设定周期τ的(超)声波振动的存在而通过致动器2的电活性芯141开始，如上所述。换句话说，第一距离L3＝f(T3)和第二距离L4＝f(T4)是在两个声限之间。一般，用来限定第一距离L3和第二距离L4二者的第一声限用所述组件(“喷嘴3+第一体部1”或“针状件4+第二体部200”)的一端表示。在简化的方式中，可认为这个第一声限与针状件4的第一端6(任选地在轴向上通过头部7延伸)和喷嘴3的基座5之间的接触区域不可区分，如图1和2中所示。上述两个组件中的每个所特有的第二声限用各自的线性声阻抗中断的第一区域I表示，如上所述。例如，第二声限可以对应于所述组件的直径在垂直于轴线AB的平面中-例如在针状件4与致动器2的接合区AJ处-变化的位置或者喷嘴3嵌入外壳1中的位置(图1、2)，应该理解，在接合区ZJ中，针状件4和致动器2是例如通过机加工整体部件而生产的-该整体部件由优选具有相同密度和相同声速的材料制成；在嵌入的位置中，喷嘴3和外壳1是例如通过机加工整体部件而制成的-该整体部件由优选具有相同密度和相同声速的材料制成。更具体地说，机加工整体部件提供了在工业规模上制造所述各部件期间适用的最简单的解决方案。
然而，在某些情况下，各体部的声限可能不与该体部的实际限制相对应，如下面通过两个例子所示出的。如图12中所示，在声波传播的第一介质内，在所述第一距离L3上，存在多个分段301、302、303，所述分段通过下面为每个分段301、302、303所特有的三个判据中的至少两个判据而相互区别：(a)分段的几何形状；(b)分段的密度ρ；(c)分段中的声速c。所述分段301、302、303设计成使得它们各自的线性声阻抗-I301＝∑301×ρ301×c301、I302＝∑302×ρ302×c302、I303＝∑303×ρ303×c303-相等：I301＝I302＝I303。因此，无论它们各自的线性尺寸如何，两个相应分段301与302、302与303之间的接合区中不产生干涉回波，从而第一距离L3保持在基座50和喷嘴3插入第一体部1中的位置ST之间(图12)。因此能用不同的材料这样生产喷嘴3：将所述不同的材料组合，以使喷嘴3在局部和/或轴向上具有选择性的物理性质(而不是声学性质)，该物理性质为每个分段301、302、303所特有(例如通过改善它们的抗冲击性、减少它们的机械磨损和/或它们的热膨胀等)，只要它们沿轴线AB的用各自的线性声阻抗I301、I302、I303所表示的声学性质保持相同：I301＝I302＝I303。如图10中所示，在声波传播的第二介质内，在所述第二距离L4上，存在多个分段401、402、403，所述分段通过下面为每个分段401、402、403所特有的三个判据中的至少两个判据而相互区别：(a)分段的几何形状；(b)分段的密度ρ；(c)分段中的声速c，这些分段401、402、403设计成使得它们各自的线性声阻抗-I401＝∑401×ρ401×c401、I402＝∑402×ρ402×c402、I403＝∑403×ρ403×c403-相等：I401＝I402＝I403。因此，与它们各自的线性尺寸无关地，在两个相应的分段401与402、402与403之间的接合区中不产生干涉回波，从而第二距离L4保持在基座50和致动器2中针状件4的接合区ZJ之间(图10)。因此能用不同的材料这样生产针状件4：将所述不同的材料组合以使针状件4局部和/或轴向上具有为每个分段401、402、403所特有的选择性的物理性质(而不是声学性质)(例如通过改善它们的抗冲击性，减少它们的机械磨损和/或它们的热膨胀等)，只要它们沿轴线AB的由各自的线性声阻抗I401、I402、I403保持相同：I401＝I402＝I403。
在图1和3(或2和4)所示的另一实施例中，针状件4和第二体部200之间的接合区ZJ在第二体部200侧由第二致动器2的至少一部分形成，该部分具有预定直径的圆形横截面，该直径称为第二致动器2的直径D，在垂直于轴线AB的平面中测得。针状件4和第二体部200之间的接合区ZJ在针状件4侧由至少一个具有预定直径的轴对称部分形成，该直径称为针状件4的直径d，在垂直于轴线AB的平面中测得。优选地，致动器2的部分和针状件4的部分用具有同等密度ρ和声速c的材料制成。致动器2的直径D和针状件4的直径d通过下面的不等式连系：
Figure GPA00001010202200131
有利地，该直径比D/d对应于致动器2中针状件4的可接受的“声音嵌入”(图1、2)。由于这种可接受的声音嵌入，离开针状件4的头部7(或7’)并沿着该针状件4到达接合区ZJ中的入射波实际上完全反射入其中，也就是说，没有幅度和/或频率的显著损失，所述显著损失能以设定周期τ中断阀元件的打开和关闭(并因此中断所述针状件4的头部7(或7’)的运动控制)。
在某些情况下，为了装配喷射器，必需将针状件4与第二致动器2分开(和/或将针状件4与该针状件4的头部7(或7’)分开)地插入第一体部1中。因而将第二致动器2与针状件4和/或将针状件4与其头部7(或7’)制造成单体部件或整体部件是不合适的。为了在所述情况下装配喷射器，可借助于用以装配第二致动器2与针状件4和/或针状件4与针状件4的头部7(或7’)的“公/母”连接将所述两个部件固定到一起。这种连接可例如一方面通过优选居中-即在轴线AB上对齐-并形成螺钉的短柱(销轴)实现，另一方面通过优选居中-即在轴线AB上对齐-并攻丝的钻孔实现(图13-24)。该短柱可以固定到针状件4上(见图13、17、23-24中的称为第一短柱41的短柱41或图16中的短柱61)，或者固定到第二致动器2或头部7(或7’)上：见图15、19中的短柱71，称为第二短柱71。针状件4、第二致动器2、头部7(或7’)的“固定短柱”-如图13、17、23-24、16、15、19中的标号41、61、71所示-必须广义理解，也就是说，同等地表示所述“公/母”连接的“公”部分，其中包括作为优选带螺纹的端部提供的“公”部分，该带螺纹的端部例如通过机加工针状件4、或第二致动器2或头部7(或7’)获得，并用来装配针状件4与第二致动器2或针状件4与其头部7(或7’)。该短柱也可以自身作为独立的部分提供(见图14、18、21-22中独立于针状件4和第二致动器2的短柱42)。致动器2与针状件4的装配和/或针状件4与其头部7(或7’)的装配要求它们之间强有力的声耦合。这意味着应力在第二致动器2与针状件4和/或针状件4与其头部7(或7’)之间的接触面上均匀分布。为此，第二致动器2的靠在针状件4上的各面对的支承面(见图21、22、24中的支承面201和202)和/或针状件4的靠在其头部7(或7’)上的支承面可以具有确定的平整度和/或粗糙度，例如小于1μm。所述面对的支承面优选垂直于轴线AB(图21-24)。优选地，带螺纹的短柱包括至少一个无螺纹的部分。在涉及第二致动器2和具有固定到其上的短柱41的针状件4的实施例中(图23)，无螺纹部分180相对于轴线AB的方向放置在螺纹18的下游。无螺纹部分180能保留针状件4绕轴线AB轻微旋转的可能性，以便将针状件4定位在第二致动器2上，而同时在它们的装配期间控制它们各自的面对的支承面201、202间的夹紧力。此外，无螺纹部分180的存在使得更容易在制造针状件4期间撤除机加工工具，从而能更容易生产具有预定平整度和/或粗糙度的支承面202。在图中未示出并涉及作为独立部件的短柱的另一实施例中，它的无螺纹部分可以安排在距短柱的端部预定距离处，例如在短柱的中部。直径为d的针状件4可以具有至少一个例如轴向对称的增强部分43，该增强部分的直径为D1并且D1＞d。增强部分43可紧邻直径为D的第二致动器2，此处优选地D1≤D(图20-22)。优选地，增强部分43设计成使得该增强部分43和针状件4的其余部分之间的线性声阻抗I的变化小于或等于5％，这种变化不能认为线性声阻抗中断。由于该增强部分43，针状件4在“公”部分(螺杆41、18)附近因与如图23-24所示的短柱41连接而断裂或者在“母”部分(螺母17、16)附近因与如图21-22所示的短柱42连接而断裂的危险减到最小。优选地，短柱和/或对应的钻孔至少局部地被润滑机构181(图24)覆盖，例如在螺纹18处(见图23的部件分解图)。第二致动器2的靠在针状件4上的面对的支承面和/或针状件4的靠在其头部上的面对的支承面可以在转动中被润滑机构润滑、覆盖。初看起来，润滑机构的存在有助于第二致动器2与针状件4的分离和/或头部与针状件4的分离。然而，在这种情况下，润滑机构的存在通过充满所有中间空间(例如，在两个螺纹槽间的空间)而保证了第二致动器2与针状件4和/或头部与针状件4的更好的结构连续性，这样改善了声波的传输。由于该润滑机构，第二致动器2的靠在针状件4上和/或针状件4的靠在它的头部上的各个面对的支承面之间的紧密性增大。这使它能防止由于通过声波而产生的局部应力的变化。除了起填充剂的作用外，润滑机构还可起到粘结机构的作用，其可使第二致动器2与针状件4和/或头部与针状件更好地联结。润滑机构的这种变成“胶粘剂”的转变是由于例如在燃烧室15中的温度的作用下润滑机构中的物理-化学变化。
在另一实施例中，第一短柱41、第二致动器2的靠在针状件4上的支承面201和针状件4的靠在第二致动器上的相应支承面202都覆盖有胶粘剂。优选地，第二短柱71、第一端6的靠在针状件4的头部7上的支承面和针状件4的头部7的靠在第一端6上的相应支承面都覆盖有胶粘剂。
在另一实施例中，致动器2与针状件4和/或针状件4与其头部7优选地通过粘结而不用短柱和钻孔在声学上固定到一起。
在喷射装置的优选方式中，针状件4的头部7面向外，该头部7沿轴线AB的方向在垂直于轴线AB的平面中朝喷嘴3的外侧张开(图1和3)，并在喷嘴3的沿远离第二致动器2的方向的外侧封闭基底5。头部7可以具有在轴线AB的方向上朝喷嘴3的外部发散的形状。作为图示，图1、3、5-6、13-16示出截锥形的发散头部7。可以设想头部7的其它发散形状，例如图中未示出的形状，该头部的垂直于轴线AB的直径在轴线AB上朝基底5按指数规律增加。优选地，头部7的至少一个侧壁74(在图13的实施例中是载锥形)与轴线AB形成预定的角度α，其中α＞90°。在发散的-例如截锥形-头部7的情况下，喷嘴3的基座5优选地具有在轴线AB的方向上朝喷嘴3的外侧发散的-例如截锥形的-相应形状(图1、3、5-6)，以便保证喷射器与闭合的阀元件更好的密封(图5)。在这种情况下，应该理解，用来确定与传播声波的第二“针状件4+第二体部200”介质有关的第一距离L4的第一声限取发散的截锥形头部7的一半(图1-3)。这同样适用于与传播声波的第一“喷嘴3+第一体部1”介质有关的第二距离L3(图1、3)。在一不太优选的解决方案中，发散的截锥形头部7可以替换为扩口形头部76，例如柱形头部，该柱形头部成直径为D2的盘形，所述直径D2大于针状件4的直径d，并垂直于优选的轴线AB(图25)。在针状件4的端部6和柱形头部76之间，可插入柱形-甚至发散的-部分77，例如截锥形部分，该部分77具有最大直径D3，像上述面向外的头部7的直径一样，该直径设计成使得d≤D3＜D2(图26)。
应该注意，第二致动器2安装成能通过返回机构11(图1和3)在轴向上相对于外壳1移动。返回机构11能变形-例如弹性变形，施加预定的力以用于轻微的延伸-例如小于100μm，由此在轴线AB上推动针状件4的头部7抵靠喷嘴3的基座5，以便与燃烧室15中的压力无关地保证阀元件关闭。
在另一优选方式中(图2、4、7-8、17-20)，针状件4的头部7’面向内，该头部7’在优选轴线AB的方向上朝喷嘴3的外侧变窄，并在喷嘴3的朝向第二致动器2(或第二体部200)的内侧封闭基座5’。头部7’可具有在轴线AB的方向上朝喷嘴3的外侧会聚的形状(图2、4、7-8、17-20)。作为图示，图2、4、7-8、17-20示出截锥形的会聚的头部7’。可以设想头部7’的其它会聚形状，例如图中未示出的头部形状，该头部的垂直于轴线AB的直径在轴线AB上朝基座5’的方向按指数规律减小。优选地，头部7’的至少一个侧壁75(在图17的实施例中是截锥形)与轴线AB形成预定的角度β，其中0°＜β＜90°。在会聚的-例如截锥形的-头部7’的情况下，喷嘴3的基座5’优选在轴线AB的方向上具有相应的朝喷嘴3的外侧会聚的形状(图2、4、7-8)-例如截锥形，以便保证喷射器与闭合的阀元件(图7)更好的密封。在这种情况下，应该理解，用来确定与传播声波的第二“针状件4+第二体部200”介质有关的第一距离L4的第一声限取会聚的截锥形头部7’的一半(图2、4)。这同样适用于传播声波的第一“喷嘴3+第一体部1”介质有关的第二距离L3(图2、4)。在一不太优选的解决方案中，针状件4包括组合的头部79，该头部79用至少两个部分制成。第一部分76是例如取其直径为D2的圆盘形状的柱形，该直径D2大于针状件4的直径d，并垂直于优选的轴线AB(图27)。第二部分78在轴线AB的方向上(如上所述朝喷嘴3的外侧定向)放在第一部分76的下游，该第二部分78是具有直径D3的柱形，其中D3＜D2，此处，优选地，D2≤d。因此，组合的头部79在两个部分中在轴线AB的方向上变窄。第二部分78可具有会聚的形状，例如像上述面向内的头部7’那样截锥式会聚。
应该注意，第二致动器2安装成能通过返回机构11’在轴向上相对于外壳1移动(图2和4)。该返回机构可变形-例如弹性变形，施加预定的力以用于轻微的延伸-例如小于100μm，由此在轴线AB上推动针状件4的头部7’抵靠喷嘴3的基座5’，以便与燃烧室15中的压力无关地保证阀元件闭合。
在另一实施例中，外壳1、针状件4、喷嘴3、头部7(或7’)中的至少一个包括至少一个由下述材料中的至少一种材料制成的部分：(a)经过处理的钢；(b)钛；(c)钛合金。这些作为非限制性例子列举的材料具有令人满意的在高温下有限地膨胀的声特性，且很少受机械磨损影响。优选地，喷嘴3和尤其是它的基座5(或5’)用经过处理的钢制成，该钢的机械强度大于钛或钛合金的机械强度。这同样适用于针状件4的头部7(或7’)。至于针状件4，它优选地用比经过处理的钢轻的钛或钛合金制成。然而，例如，当简单地将“头部7(或7’)/针状件4”组件机加工成整体部件以便简化该“头部7(或7’)/针状件4”组件的生产时，则可能需要优选针状件4由钢例如经过处理的钢制成。

Claims (16)

1.一种流体喷射装置，包括：
-喷嘴(3)，该喷嘴具有沿轴线(AB)方向的长度，并包括喷射孔和基座(5)，该喷嘴(3)在所述轴线(AB)的相对端连接到第一体部上，
-针状件(4)，该针状件在所述轴线(AB)上具有一长度和第一端(6)，该第一端在与所述基座(5)接触的区域中限定阀元件，该针状件(4)在该轴线(AB)的相对端连接到第二体部(200)上，所述第二体部安装成能在第一体部(1)中轴向移动，
-振动机构(2)，用于使第一端(6)和/或喷嘴(3)以设定周期τ振动，因此保证它们之间在所述轴线(AB)上的适于交替地打开和关闭阀元件的相对运动，该喷嘴(3)与第一体部(1)以及该针状件(4)与第二体部(200)分别形成用于传播声波的第一介质和第二介质，每个介质都具有由下列方程定义的线性声阻抗I：I＝∑×ρ×c，式中∑是介质垂直于轴线(AB)的截面表面面积，ρ是介质的密度，c是声音在介质中的速度，
-至少一个线性声阻抗中断的区域，该区域处于距基座(5)沿喷嘴(3)或第一体部(1)与第一端(6)接触的区域一定距离处；以及至少一个线性声阻抗中断的另外的区域，该另外的区域处在距第一端(6)沿针状件(4)或第二体部(200)与基座(5)接触的区域一定距离处，以及
-所述线性声阻抗中断的区域和另外的区域均是在声波的传播方向上从所述针状件(4)的第一端(6)与基座(5)接触的区域开始的第一个区域，该声波的传播方向分别朝向第一体部(1)和第二体部(200)定向，
其特征在于，基座(5)与第一端(6)接触的区域和沿着喷嘴(3)或第一体部(1)的线性声阻抗中断的第一区域之间的距离称为第一距离(L3)，该第一距离设计成使得由振动机构(2)发起并在该第一距离(L3)上行进的声波的传播时间T3满足下列方程：T3＝n3×[τ/2]，式中n3是倍增系数并且是非零的正整数，以及
第一端(6)与基座(5)接触的区域和沿着针状件(4)或第二体部(200) 的线性声阻抗中断的第一区域之间的距离称为第二距离(L4)，该第二距离设计成使得由振动机构(2)发起并在该第二距离(L4)上行进的声波的传播时间T4满足下列方程：T4＝n4×[τ/2]，式中n4是倍增系数并且是非零的正整数。
2.如权利要求1所述的流体喷射装置，其特征在于，在用于传播声波的第一介质内，在所述第一距离(L3)上，存在多个分段(301、302、303)，这些分段通过下列专用于各分段(301、302、303)的三个判据中的至少两个判据相互区别：(a)分段的几何形状；(b)分段的密度ρ；(c)声音在分段中的速度c，这些分段(301、302、303)设计成使得它们的线性声阻抗I301、I302、I303相等：I301＝I302＝I303。
3.如权利要求1或2所述的流体喷射装置，其特征在于，在用于传播声波的第二介质内，在所述第二距离(L4)上，存在多个分段(401、402、403)，这些分段通过下列专用于各分段(401、402、403)的三个判据中的至少两个判据相互区别：(a)分段的几何形状；(b)分段的密度ρ；(c)声音在分段中的速度c，这些分段(401、402、403)设计成使得它们的线性声阻抗I401、I402、I403相等：I401＝I402＝I403。
4.如权利要求1或2所述的流体喷射装置，其特征在于，针状件(4)和第二体部(200)通过接合区(ZJ)连接在一起，该接合区(ZJ)传输声波；在该接合区(ZJ)中，第二体部(200)具有线性声阻抗IAC-ZJ，针状件(4)具有线性声阻抗IA-ZJ，其中IAC-ZJ/IA-ZJ≥2.5。
5.如权利要求1或2所述的流体喷射装置，其特征在于，第一体部(1)包括称为第一致动器(20)的致动器，该致动器形成振动机构的一部分，并适于与第一体部(1)和喷嘴(3)一起将所述振动传递到该喷嘴(3)的基座(5)。
6.如权利要求5所述的流体喷射装置，其特征在于，振动机构包括电活性芯(141)和用于激励电活性芯(141)的机构，所述电活性芯(141)安放成作用在第一致动器(20)上，所述用于激励电活性芯(141)的机构适于使该电活性芯以设定周期τ振动。 
7.如权利要求1或2所述的流体喷射装置，其特征在于，第二体部(200)包括称为第二致动器(2)的致动器，该致动器形成振动机构的一部分、通过针状件(4)沿着轴线(AB)伸展并且适于与第二体部(200)和针状件(4)一起将所述振动传递到该针状件(4)的第一端(6)。
8.如权利要求7所述的流体喷射装置，其特征在于，振动机构包括电活性芯(141)和用于激励电活性芯(141)的机构，所述电活性芯(141)安放成作用在第二致动器(2)上，所述用于激励电活性芯(141)的机构适于使该电活性芯以设定周期τ振动。
9.如权利要求7所述的流体喷射装置，其特征在于，针状件(4)和第二体部(200)之间的接合区(ZJ)在第二体部(200)侧由第二致动器(2)的至少一个部分形成，该部分具有预定直径的圆形横截面，所述预定直径称为第二致动器(2)的直径D，它在垂直于轴线(AB)的平面中测得；针状件(4)和第二体部(200)之间的接合区(ZJ)在针状件(4)侧由至少一个具有预定直径的轴向对称部分形成，该直径称为针状件(4)的直径d，它在垂直于轴线(AB)的平面中测得；该致动器(2)的直径D和该针状件(4)的直径d具有下列不等式关系： 
Figure FSB00000634050200031
10.如权利要求1或2所述的流体喷射装置，其特征在于，针状件(4)的第一端(6)通过头部(7’)沿着轴线(AB)延伸，该头部(7’)沿着该轴线(AB)朝向喷嘴(3)的外侧变窄；该头部(7’)在喷嘴(3)的朝向第二体部(200)的内侧封闭该基座(5’)。
11.如权利要求1或2所述的流体喷射装置，其特征在于，针状件(4)的第一端(6)通过头部(7)沿着所述轴线(AB)延伸，该头部(7)沿着该轴线(AB)朝向喷嘴(3)的外侧扩张；该头部(7)在喷嘴(3)的外侧封闭该基座(5)。
12.如权利要求7所述的流体喷射装置，其特征在于，第二致动器(2)和针状件(4)借助于带螺纹的第一短柱(41)固定。
13.如权利要求10所述的流体喷射装置，其特征在于，第一端(6)和针状件(4)的头部(7’)借助于带螺纹的第二短柱(71)固定。 
14.如权利要求12所述的流体喷射装置，其特征在于，第一短柱(41)、第二致动器(2)的靠在针状件(4)上的支承面(201)和针状件(4)的靠在第二致动器(2)上的对应支承面(202)覆盖有胶粘剂。
15.如权利要求13所述的流体喷射装置，其特征在于，第二短柱(71)、第一端(6)的靠在针状件(4)的头部(7’)上的支承面和针状件(4)的头部(7’)的靠在第一端(6)上的对应支承面覆盖有胶粘剂。
16.一种内燃机(M)，利用如权利要求1-15之一所述的流体喷射装置。 
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