CN101782035B - 定子组件及使用该定子组件的燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定子组件和使用该定子组件的燃料喷射器。一种用于共轨燃料系统的燃料喷射器包括流体连接至高压共轨的共轨入口，以及流体连接至低压燃料输送泵的输出的冷却入口。冷却流体流过燃料喷射器进行内部循环，以经由内部冷却通路和外周冷却通路来冷却单极螺线管。为了在提供优越性能的同时适应小的空间封装，薄绝缘层可以将螺线管线圈绕组与内极片隔开，且小磁通气隙可以允许喷射器体的磁通传输部作为单极螺线管组件的一部分。

Description

定子组件及使用该定子组件的燃料喷射器

技术领域

本发明总体而言涉及用于共轨燃料系统的燃料喷射器的螺线管(solenoid)特征部，更具体而言涉及一种具有增强性能且节省空间的特征部的冷却式螺线管组件。

背景技术

在提供提高性能所需要的多功能性同时还减少不期望的排放物方面，特别是关于压燃式发动机，共轨燃料系统已经显示出相当好的前景。随着工业上要求更高的喷射压力，较多的问题开始暴露出来。这些问题包括，为了将诸如螺线管或压电元件等内部电致动器维持在能够保持与快速响应时间相关的高致动力的温度范围内，可能需要冷却该电致动器。在一些应用中，尤其是在具有电致动器空间限制的应用中，维持和提高致动器性能会成问题。例如，在许多应用中，一个或多个电致动器必须全部容纳于喷射器体内，并且特别是在螺线管的情况下，电致动器的特定部分通常必须被绝缘材料占用。因此，在螺线管致动器的情况下，在维持或提高磁通传输的同时还减小与绝缘特性相关的材料体积会成问题。现有技术中的用于燃料喷射器的螺线管组件通常包括极片，在极片上安装有搭载螺线管线圈绕组的塑料线轴。由于该绕组通常在附装到极片上之前被缠绕于线轴上，线轴必须具有足够的结构完整性以经受缠绕处理。最终结果可能是与线轴相关的材料量比在安装螺线管后正常操作所需要的材料量多。

在典型的燃料喷射器应用中，螺线管致动器联接到阀部件以开启和关闭一个或多个流体通路从而促进燃料喷射。本领域已出现了两种螺线管。一种被确定为双极螺线管，通常其特征在于衔铁外缘的直径大于线圈绕组的外径。衔铁相对于定子在初始气隙位置和最终轴向气隙位置之间移动。另一种是所谓的单极螺线管，其不仅包括轴向气隙，还包括滑动气隙，衔铁在该滑动气隙内移动。例如，在发明人为Mesenich的Coltec工业公司的美国专利4,984,549中公开了一个这样的示例。单极螺线管的特征通常在于其衔铁外缘与磁通传输部件之间具有滑动磁隙，并且衔铁的直径通常小于线圈绕组的内径。不论螺线管的类型如何，螺线管组件的磁通传输能力以及相关阀的速度和响应性会随着温度升高至超过取决于螺线管结构和所用材料的特定水平而严重恶化。温度升高会造成燃料喷射器内的泄漏、重复进行致动、甚至从发动机燃烧室通过其他燃料喷射部件进行温度传递。

影响螺线管性能的另一个重要特征涉及将可动衔铁与螺线管组件的静止磁通传输部件隔开的气隙的大小。较小的气隙会有利于更好的磁通传输，组成部件的几何变化会使大规模生产的螺线管组件具有产生一致的行为表现的统一气隙。例如，保持较小的气隙通常要求衔铁例如通过附设于在导向间隙孔内移动的阀部件上而使其运动被引导。然而，几何公差累加会限制利用这种策略可用的实际气隙。

本发明旨在解决以上所述的一个或多个问题。

发明内容

在一个方面中，燃料喷射器包括限定有喷嘴出口、冷却入口和排放出口的喷射器体。螺线管组件设置在所述喷射器体内部，并且包括定子组件，所述定子组件具有至少一个限定有冷却通路的极片，所述冷却通路延伸穿过所述极片。冷却路径包括所述冷却通路，并且在所述冷却入口和排放出口之间延伸。

在另一方面中，燃料喷射器包括喷射器体，所述喷射器体限定有喷嘴出口，并且包括磁通传输部。单极螺线管组件设置在所述喷射器体内，并且包括定子组件、衔铁(armature)组件、磁通环部件以及所述喷射器体的所述磁通传输部。所述衔铁组件包括杆以及具有顶部衔铁表面和侧部衔铁表面的衔铁。定子组件具有底部定子表面并且包括内极和外极。在所述定子组件的所述外极与所述喷射器体的所述磁通传输部之间限定有磁隙。当所述衔铁处于第一衔铁位置时，在所述衔铁的所述顶部衔铁表面和所述定子组件的所述底部定子表面之间限定有初始轴向气隙。在所述侧部衔铁表面和所述螺线管组件的所述磁通环部件之间限定有滑动气隙。所述磁隙和所述滑动气隙小于所述初始轴向气隙。

在又一方面中，用于螺线管的定子组件包括设于金属极片与螺线管线圈绕组之间的绝缘层。所述绝缘层具有小于400微米的厚度。

附图说明

图1是根据本发明一个方面的共轨燃料系统的示意图；

图2是图1中燃料系统的燃料喷射器的侧剖示意视图；

图3是根据本发明一个方面的定子组件的侧剖视图；以及

图4是图2中所示燃料喷射器的螺线管组件和控制阀部分的放大的侧剖示意视图。

具体实施方式

参照图1，共轨燃料系统10包括多个燃料喷射器11，它们定位成用以向内燃机的各气缸(未图示)内直接喷射。作为示例，图1示出了六个燃料喷射器11，它们定位成用于通过包括各燃料喷射器11的位于压燃发动机的各气缸(未图示)内的喷嘴出口12而直接喷射。各燃料喷射器11还包括经由单独的分支通路28流体连接到共轨26的高压轨道入口14，图中仅示出了一个分支通路。另外，各燃料喷射器11包括流体连接到燃料冷却管线20的冷却入口13。低压燃料输送泵18经由燃料循环管线19向燃料冷却管线20和高压泵22供给燃料，高压泵22经由高压供给管线24向共轨26供给高压燃料。各燃料喷射器11还包括经由排放返回管线30流体连接到燃料箱16的排放出口17。燃料输送泵18以常规方式被供以来自燃料箱16的燃料。

燃料系统10由电子控制器32控制，该电子控制器可以采用具有标准设计的电子控制模块的形式并且通常包括诸如中央处理单元的处理器、存储器、以及促进内部和外部与电子控制器32的通信的输入/输出电路。中央处理单元通过执行诸如存储在存储器中的程序代码等操作指令来控制电子控制模块的运行，其中，可于电子控制模块的内部或外部初始化操作。可以利用这样的控制方案，其经由输入/输出电路来监视诸如传感器、致动器或控制单元等系统或装置的输出，以控制向各种其他系统或装置的输入。例如，电子控制器32可以经由连接到螺线管连接器15的通信线路34与各燃料喷射器11进行控制通信。另外，共轨26内的压力经由连接到与高压泵22相关的适当的电致动器的通信线路33而被控制。电子控制器32的存储器可以包括位于电子控制模块内部或外部的诸如高速缓冲存储器、虚拟存储器或随机存取存储器等临时存储区域，或者诸如只读存储器、移动硬盘、局部网/因特网存储器、硬盘驱动器、闪存、存储棒等永久存储区域，或者其他已知的易失的或不易失的存储装置。可替换地，或另外地，电子控制器32可以包括专用电路，用以执行一些与在中央处理单元上执行的程序代码相对的功能。

参照图2和图4，各燃料喷射器11包括喷射器体40和喷嘴室41，当针阀部件50被提升到打开位置时，喷嘴室41流体连接到由喷射器体限定出的喷嘴出口12。喷嘴室41经由穿过喷射器体40的内部通路(未图示)流体连接到高压轨入口14。针阀部件50通常通过偏压弹簧54朝向关闭位置偏压。针阀部件50包括开启液压表面51和闭合液压表面52，前者暴露于总是与共轨26(图1)流体连通的喷嘴室41中的液压，后者暴露于针控制室44中的液压。针控制室44可以经由未图示的通路流体连接到喷嘴室41。燃料喷射器11还包括螺线管组件70，其可操作地耦合以移动控制阀部件60。当螺线管组件70被断电时，偏压弹簧76向下偏压衔铁组件72，以推动阀部件60关闭平坦阀座58，从而关闭压力释放孔59。因此，当螺线管组件70被断电时，在喷嘴室41和针控制室44中存在的来自共轨26(图1)的高压导致针阀部件50被偏压弹簧朝向其闭合位置偏压。当螺线管组件70被通电时，衔铁组件72向上移动，以允许阀部件60移离平坦阀座58，从而经由压力释放孔59和在图2的剖面图中不能看到的介入液体通路将针控制室44流体连接到低压排放出口17。当平坦阀座被打开时，针控制室44内的压力下降使得作用于开启液压表面51上的液压力克服偏压弹簧54来向上提升针阀部件50，以打开喷嘴出口12从而开始燃料喷射。通过接着使螺线管组件70断电以再次推动阀部件60来关闭平坦阀座58并恢复针控制室44内的高压，结束燃料喷射。

在所说明的实施例中，螺线管组件70是包括定子组件71和衔铁组件72的单极螺线管组件。然而，本领域技术人员应理解，替代实施例可以包括双极螺线管作为所述结构的替代而不背离本发明。如前所述，可供选择的双极螺线管不包括衔铁与定子之间的滑动气隙，并且通常不包括磁通环。

现在参照图3，说明图2中的燃料喷射器11的定子组件71的详细视图。定子组件71包括限定了内极片冷却通路81的内极片80，该内极片冷却通路垂直地延伸穿过内极片80。在内极片80由相对软的磁性材料制成的情形中，可能包括独立的定子止动部件85，其可被压入配合到内极片80的底部中并且也限定了中央冷却通路81的一部分。定子组件71还包括将内极片80与螺线管线圈绕组84隔开的绝缘层82。在现有技术中，绝缘层可能是上面缠绕有螺线管线圈的塑料线轴。然而，在本发明中，绝缘层82可以是整体模制在内极片80上的相对薄的塑料层。因此，按照模制策略，在绝缘层已被模制到内极片80上使得内极片提供经受缠绕操作的结构支持之后，螺线管线圈绕组84被缠绕在绝缘层上。可替换地，绝缘层82可以是通过在内极片80上冷缩装配一薄的绝缘管或者通过在其上喷涂绝缘涂层而产生的绝缘层。在任何情况下，由于绝缘层82仅需要使螺线管线圈绕组与内极片80绝缘，所以绝缘层可以具有相对薄的厚度83，该厚度可小于400微米。该策略使定子组件71的体积更多地被内极片80或电绕组84占据，而不是如现有技术中那样被相对厚壁的塑料线轴所占据。定子组件71还包括一对电端子86，图中仅示出其中一个，所述电端子被设于由内极片80限定的孔内，并且在被电连接到螺线管线圈绕组84的状态下被绝缘材料包围。电端子86以常规方式经由电导体(未图示)电连接到螺线管连接器15(图2)。电端子86可以采用接插件的形式，使得更便于和易于组装燃料喷射器11。在一个方案中，将电端子86与内极片80隔开的绝缘层可以是与绝缘层82相同的材料。例如，包围电端子86的绝缘层可以是以与在内极片80上模制绝缘层82执行的模制处理相同的处理模制而成的塑料。例如，内极片80可以和电端子86一起被用作塑料模制时的型芯，根据常规的塑料模制处理在这些部件的周围模制塑料。因而，围绕电端子86的绝缘材料98可以与绝缘层82相同，并且以与绝缘层82相同的处理来形成。在螺线管线圈绕组84缠绕在绝缘层82上之后，可以滑动外极89来封闭线圈绕组84。外极89可以是与内极片80类似的磁性材料，例如硅铁或以SOMALOY的名字出售的磁性材料。尽管没有必要，外极89可以包括多个角度间隔的冷却表面或平坦部88，其部分地限定外极冷却通路以便于冷却流体沿定子组件71的外周面的流动。

现在参照图4，图3的定子组件71被示为安装在燃料喷射器11的喷射器体内。在被安装状态，螺线管组件70包括静止部件和可动部件。静止部件包括定子组件71、磁通环部件87和喷射器体的磁通传输部48。可动部件包括衔铁组件72，其包括例如通过压力配合连接而附设于相对无磁性的杆73上的磁衔铁74。当螺线管组件70被断电时，衔铁组件72向上移动，直到杆73的杆止动面75与定子止动部件85接触。通过在外极89(图3)与喷射器体40的内壁面43之间包含相对小的磁隙96，磁通传输部48可以被视为单极螺线管组件70的一部分，因为其起作用以传导一些磁通，如由磁通路径105所示。因此，喷射器体40的磁通传输部48本身被用来增加螺线管组件70的磁性能。磁隙96可以处于典型的导向间隙的量级。螺线管组件70还包括也可以关于内壁面43具有相对紧密的导向间隙99的磁通环部件87，使得更有利于从喷射器体的磁通传输部48通过磁通环部件87回导的磁通通过衔铁74向内极片80回导。尽管没有必要，磁通环部件87可以包括多个角度间隔的冷却表面或平坦部95，其可以被视为便于产生使冷却流体沿螺线管组件70的外周循环的外周流体路径102的外极冷却通路。

当螺线管组件70被断电时，在衔铁74的顶部衔铁表面91与内极片80的底部定子表面94之间限定出初始轴向气隙。该初始轴向气隙可以总是大于外极89与喷射器体40之间的气隙96以及磁通环部件87与喷射器体40之间的第二磁隙99。当螺线管组件70被通电且衔铁组件72向上移动时，顶部衔铁表面91与底部定子表面94之间的轴向气隙减小但没有完全消除。也就是说，在衔铁74实际接触内极片80之前，杆73将与定子止动部件85接触。最终的轴向气隙还可以大于分别将外极89和磁通环部件87与喷射器体40隔开的磁隙96和99。衔铁组件70的移动可以通过存在于将侧部衔铁表面92与磁通环部件87的内表面隔离的滑动气隙97内的导向间隙来引导。滑动气隙导向间隙97的大小可以与前述第一和第二磁隙96和99的大小处于相同量级。相同量级的大小意味着没有一个间隙比其他间隙的大小大十倍。可选择地，衔铁组件72的移动可以通过在杆73和喷射器体40的另一部分之间互动的导向间隙，例如与被视为喷射器体40一部分的阀弹簧片47相互作用的导向间隙，来引导。应当注意，杆73可以包括形成内部冷却路径101一部分的杆冷却通路78。

喷射器体40限定了流体连接到冷却入口13的内部冷却供给管线100。冷却流体流过内部冷却供给管线100，并可以采取穿过和围绕螺线管组件70的两条路径来对该螺线管组件进行冷却。特别地，冷却流体的一部分可以向下流过内部冷却路径101而冷却流体的第二部分可以经由部分地由磁通环部件87上的平坦部95以及在外极89的外表面上形成的平坦部88限定的外周冷却路径102在螺线管组件70的外表面上流动。内部冷却路径101和外周冷却路径102向着磁通环部件87的底部再次汇合以形成合流冷却路径103，其将流向喷射器体40和从喷射器体40流出的流体导向排放出口17。

工业应用

本发明发现了在任意燃料喷射器上的潜在应用，但发现了在冷却可能成问题并且空间非常宝贵的共轨燃料喷射器上的具体应用。根据本发明的燃料喷射器11已被说明为包括几项革新，但是仅包含这些革新其中之一的燃料喷射器也落入本发明的范围之内。例如，燃料喷射器11包括如图3所示的创新的定子组件，但是可以包括不背离本发明的其他定子组件。另外，已经说明的本发明既包括内部的又包括外周的冷却路径来保持冷却功能以调节螺线管组件70的温度。在某些应用中，可以不必冷却或者在不背离本发明的情况下可以除去内部和外部冷却路径101和102其中之一。附加的或其它位置的冷却通路也落入本发明的范围之内。最后，燃料喷射器11包括依赖喷射器体来辅助传输磁通并构成螺线管组件的一部分的革新，而现有技术的燃料喷射器通常阻止螺线管组件与特征相当于喷射器体的任何物体发生磁作用。在空间约束较少的那些应用中，可以消除以磁通传输为目的的喷射器体的利用，以及可以在利用了线圈绕组84与内极片80之间相对薄的绝缘层的定子组件71中实现节约空间的革新。

当共轨燃料系统10运行时，燃料输送泵18产生足够的流体以满足高压泵22的供给需求(即燃料喷射需求)以及各燃料喷射器11的冷却需求。由燃料输送泵18泵送的超过这些需求的任何燃料通常将以一种常规方式(经由未示出的通路)被再循环回燃料箱16。因此，不管燃料喷射器是正在运行来执行燃料喷射事件或是处于这些事件之间的相对长的阶段，冷却流体连续地循环通过各燃料喷射器11。特别地，冷却流体进入冷却入口13，流过内部冷却供给管线100并这里分成两路，从这里冷却燃料经由内部冷却路径101向下流过螺线管组件70的中央并且还沿外周冷却路径102流过螺线管组件70的外表面。然后，冷却流体路径101和102在合流冷却路径103汇合，并在那之后立即自排放出口17流出燃料喷射器11以便经由排出返回管线30返回到燃料箱16。本领域技术人员将会理解，可以将循环通过燃料喷射器11的冷却流体的流速设定为几乎任意期望的大小，以达到与螺线管组件70的运行相关的适当的温度调节目标。值得注意的是，在不使用由高压泵22升高至喷射压力水平的燃料的情况下执行冷却功能。因此，能够在不浪费对供给到共轨26的燃料进行加压所需要的能量的情况下实现冷却功能。

尽管已经示出的外部冷却路径102由在磁通环部件87和外极89的外表面上形成的平坦部来实现，本领域技术人员将会理解可以利用其它的策略。例如，可在喷射器体40的内壁面43中或者外极89和/或磁通环部件87的外表面上形成槽，或者在以上两方面都形成槽，以提供外周冷却路径102。另外，这些槽可以是螺旋形状的或垂直的。另外，在不背离本发明的情况下，除了在磁通环部件87和外极89的外表面上在垂直方位形成槽和/或平坦部之外，还可以形成其他槽和/或平坦部。

通过相对于现有技术减小将螺线管线圈绕组84与内极片80隔开的绝缘材料层的厚度，定子组件71考虑到了潜在地更大的磁力。本发明预期有多种方法来实现薄的绝缘层，该绝缘层的厚度仅需要足以达到绝缘目的，并不需要像必须具有足够的结构完整性来经受缠绕操作的现有技术中的线轴那样相对较厚。也就是说，本发明预期了内极片80提供用于绝缘层82的结构支撑以使得能够执行缠绕处理而不会使绝缘层82变形的情形。

通过使用相对薄的绝缘层82，更多的可用的空间包封可以被诸如内极片80的磁性材料利用和占据，以增大螺线管组件70的磁通传输能力，并相比于利用了现有技术线轴、绕组策略的等效的螺线管组件可以提高其响应速度。

在本发明的燃料喷射器11中说明的另一项革新包括使用喷射器体40的磁通传输部48作为螺线管组件70的一部分。这通过在喷射器体40与外极89以及磁通环部件87之间分别产生相对小的磁隙96和99，使得围绕绕组84的磁通路径从内极片80出发，经过外极89、穿过气隙96、经过喷射器体40的磁通传输部48、向回穿过第二磁隙99、经过磁通环部件87、穿过衔铁74和磁通环部件87之间的滑动气隙97、通过衔铁74、并穿过将顶部衔铁表面91与底部定子表面94隔开的轴向气隙，然后返回到内极片80，来实现。该磁通路线用磁通路径105示出。尽管喷射器体40可以由比与软磁极片相关的典型材料相对更硬的金属材料制成，即使处于空间相对受限的环境中，由喷射器体提供的额外的磁通传输能力能够进一步提高螺线管组件70的磁通传输能力，以便再次提高或维持其响应速度。在所说明的实施例中，通电和断电时顶部衔铁表面91和底部定子表面94之间的轴向气隙可以大于磁隙96和99以及滑动气隙97。尽管不是必要的，大多数磁通直接从外极89传输到磁通环部件，而不是经由喷射器体40的磁通传输部48。

应当理解，以上说明仅以说明为目的，并不是意在以任何形式限定本发明的范围。因此，本领域技术人员将会理解，从附图、说明书和所附权利要求的研究中能够得到本发明的其它方面。

Claims (4)

1.一种燃料喷射器，包括：

喷射器体，该喷射器体限定出喷嘴出口、冷却入口和排放出口；

螺线管组件，该螺线管组件设置在所述喷射器体内部，并且包括定子组件；

所述定子组件包括至少一个极片；

所述至少一个极片限定出冷却通路，该冷却通路延伸穿过所述极片；

冷却路径包括所述冷却通路，并且在所述冷却入口和所述排放出口之间延伸，

其中，所述至少一个极片包括内极片；

由所述至少一个极片限定出的所述冷却通路是由所述内极片限定出的内极冷却通路；

其中，所述至少一个极片还包括外极；

所述定子组件的所述外极包括冷却表面；

所述喷射器体包括内壁面；

在所述冷却表面与所述喷射器体的内壁面之间限定出外极冷却通路；

所述冷却路径还包括所述外极冷却通路。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中：

所述定子组件的所述至少一个极片是金属极片；

在所述金属极片上缠绕有螺线管线圈绕组；

在所述金属极片与所述螺线管线圈绕组之间设有绝缘层；

并且所述绝缘层具有小于400微米的厚度。

3.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述螺线管组件包括具有衔铁和杆的衔铁组件；

所述杆包括杆止动面，当所述衔铁组件处于通电的衔铁位置时，所述杆止动面与所述定子组件的定子止动部件接触；

所述杆限定出与所述冷却通路流体连通的杆冷却通路段。

4.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中

所述喷射器体包括磁通传输部；

所述螺线管组件为单极螺线管组件，其进一步包括定子组件、衔铁组件、磁通环部件以及所述喷射器体的所述磁通传输部；

所述衔铁组件包括具有顶部衔铁表面和侧部衔铁表面的衔铁；

所述定子组件包括外极和具有底部定子表面的内极；

在所述定子组件的所述外极与所述喷射器体的所述磁通传输部之间限定出磁隙；

当所述衔铁处于断电的衔铁位置时，在所述衔铁的所述顶部衔铁表面与所述定子组件的所述底部定子表面之间限定出初始轴向气隙；

在所述侧部衔铁表面与所述螺线管组件的所述磁通环部件之间限定出滑动气隙；

所述磁隙和所述滑动气隙小于所述初始轴向气隙；

其中，所述磁通环部件定位于所述衔铁组件与所述喷射器体之间；

所述磁隙为第一磁隙；

在所述喷射器体的所述磁通传输部与所述磁通环部件之间限定出第二磁隙；

所述第一磁隙、所述第二磁隙以及所述滑动气隙的大小处于相同量级。