CN101861487B - 带有应变式致动器的直接致动式阀以及这种阀的操作方法 - Google Patents

带有应变式致动器的直接致动式阀以及这种阀的操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101861487B
CN101861487B CN2008801165998A CN200880116599A CN101861487B CN 101861487 B CN101861487 B CN 101861487B CN 2008801165998 A CN2008801165998 A CN 2008801165998A CN 200880116599 A CN200880116599 A CN 200880116599A CN 101861487 B CN101861487 B CN 101861487B
Authority
CN
China
Prior art keywords
valve
actuator
valve member
fluid
direct actuating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2008801165998A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101861487A (zh
Inventor
大卫·芒福德
艾伦·韦尔奇
阿拉因·图谢特
迈克·赫贝斯
理查德·温
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Westport Power Inc
Original Assignee
Westport Power Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Westport Power Inc filed Critical Westport Power Inc
Publication of CN101861487A publication Critical patent/CN101861487A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101861487B publication Critical patent/CN101861487B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/004—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by piezoelectric means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D41/2096—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils for controlling piezoelectric injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
    • F02M51/0603—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using piezoelectric or magnetostrictive operating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/168—Assembling; Disassembling; Manufacturing; Adjusting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2037—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit for preventing bouncing of the valve needle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/02—Fuel-injection apparatus having means for reducing wear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/30—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped
    • F02M2200/304—Fuel-injection apparatus having mechanical parts, the movement of which is damped using hydraulic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/70—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger
    • F02M2200/703—Linkage between actuator and actuated element, e.g. between piezoelectric actuator and needle valve or pump plunger hydraulic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/04—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 having valves, e.g. having a plurality of valves in series
    • F02M61/10—Other injectors with elongated valve bodies, i.e. of needle-valve type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

公开了一种操作直接致动式阀的方法，所述阀包括致动阀部件以在关闭位置和打开位置之间行进的应变式致动器，所述方法包括将位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件，通过施加预载压缩应力并且将下述各项的至少之一限制为小于预定极限值，来保持致动器上的压缩应力大于预定最小应力，所述各项即(a)所述阀构件在所述打开和所述关闭位置之间移动时的加速度和减速度，和(b)所述阀构件在与所述阀座刚好接触之前的速度。用于限制阀构件的速度、同时还减少在关闭时间中流过阀的流体的量的其中一种优选技术，包括：改变阀构件的关闭速率，使得阀构件在关闭运动开始时快速地行进大部分关闭距离，之后，在关闭运动的第二部分中减缓阀构件的关闭速度，使得阀构件在刚好接触阀座之前的速度小于预定极限值。

Description

带有应变式致动器的直接致动式阀以及这种阀的操作方法
技术领域
本发明涉及一种带有应变式致动器的直接致动式阀，以及对其进行操作的方法。现在有很多应用得益于快速作用的直接致动式阀，为了说明本发明的优点，在本文中例如与特别合适的一个应用相关进行描述，所述应用即直接将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。
背景技术
整个世纪以来，内燃机一直用于产生动力并且驱动机器。从开始，内燃机已经经历了许多改进以变得更加有效、功率更加强大和/或污染更少。在有些条件下，燃烧室内的燃料燃烧可能是不完全的，这会降低效率并且产生未燃烧燃料的不期望排放。
通过对喷射事件过程中的燃料喷射计时、所喷射的燃料的量和燃料喷射速率进行更精确的控制，可以将发动机制造得更加有效、功率更加强大并且污染更少。现有技术中的燃料喷射阀是液压致动的。例如，液压致动式阀是通过控制与阀针关联的控制室中的流体压力而致动的。典型地，保持高的液压流体压力以便将阀针保持在关闭位置中，并且当控制室中的液压流体压力减小时，燃料喷射阀的喷嘴中的燃料压力在阀针的阶梯状肩部上施加打开力，从而将阀针提升到打开位置。可以以众所周知的方式将一个或多个液压流体控制阀与流体限制孔组合使用，从而通过打开或关闭将控制室连接到高压供应线或低压排放线的液压流体通道来调节控制室中的压力。
现有技术中的液压致动式燃料喷射阀有时也称为“电-液”燃料喷射阀，这是因为它们可以采用电控的液压流体控制阀。例如，使用电磁致动器的电磁阀可以将与阀构件关联的电枢从一个极限位置移动到另一个极限位置，从而控制液压流体的流动。然而，这种阀不允许阀构件保持在中间位置，并且，虽然电磁阀可以快速动作，但是，它们不允许在阀构件从一个极限位置移动到另一个极限位置时对阀构件的速度或加速度进行太多的控制。即，虽然电磁阀适于在打开和关闭位置之间致动控制阀，但是这种阀并不能用于容易地控制阀针的速度、位置和加速度或减速度，从而控制流体质量流动速率。有些阀设计为具有在燃料喷射事件过程中允许对燃料喷射速率进行有限控制的几何形状。更近些时候，由压电或磁致伸缩致动器(在这里统称为“应变式”致动器)致动的控制阀提供了对液压流体流的更大控制。应变式致动器采用例如，当对压电元件施加电压时，或当磁致伸缩元件暴露于磁场中时，形状变化的元件。应变式致动器提供了优于电磁致动器的可能改进，这是因为应变式致动器可以传递快速且精确的运动，同时还允许致动到在极限位置之间的位置以及对阀针速度和加速度的更多控制。这样，带有应变式致动器的控制阀能够像可变的孔一样起作用，从而调节控制室内的液压流体压力。为了调节喷射事件过程中的喷射速度，电-液阀可以采用一个或多个应变式致动器来控制液压致动流体的流量，并且通过调节控制室中的液压流体的压力而间接导致阀针移动。然而，即使使用应变式致动器来操作(一个或多个)控制阀，电-液燃料喷射阀仍然具有限制性。因为阀针不是通过由应变式致动器所引起的位移量直接致动的，因此致动的速度仍然由可以调节控制室内的流体压力的速度限制，并且可由于像喷嘴室中的燃料和控制室中的液压流体之间的压差变化等因素而引入变化。因此，发动机可以以数千转/分(rpm)的速度运行，致动的速度以及用于以期望时间喷射期望的燃料的量的精确度会对发动机的性能产生显著的影响。
当所喷射的燃料为液体燃料时，燃料可以方便地用作液压流体。然而，当所喷射的燃料为气体燃料时，电-液致动式燃料喷射阀的额外缺点在于，液压致动器给燃料喷射阀增加了复杂性和成本，这是因为需要与燃料供应系统分开的液压流体系统。
这里，“直接”致动式喷射阀与电-液致动式燃料喷射阀的区别在于，它们采用了能够被激励以产生位移量的致动器，所述位移量被直接传递到燃料喷射阀针的相应位移量。致动器所产生的位移量可以在阀针中再现，或者通过设置在致动器和阀针之间的传递元件被放大，但是正如这里所定义的，通过直接致动式阀，阀针的位移量与致动器的位移量直接成比例。对于直接致动式燃料喷射阀来说，不像电-液燃料喷射阀那样有控制室，并且阀针移动是由致动器产生的位移量而不是通过改变液压流体的压力来控制的。燃料喷射阀可以由螺线管致动器直接电磁致动，由此到电枢的位移量产生了阀针的位移量，但是与电-液阀所采用的螺线管致动的控制阀一样，这种类型的致动器不允许对阀针的运动进行太多控制。如果燃料喷射阀针由应变式致动器直接致动，则可以实现对阀针的更精确的控制。本发明具体旨在使用应变式致动器的直接致动式燃料喷射阀。由于应变式致动器能够产生高的针致动力，因此可以将阀设计为使得喷嘴室中的燃料压力变化不会对燃料喷射阀的操作产生显著影响。此外，由于致动是直接的，并且不依赖于流进以及流出控制室的液压流体流，因此更快速的响应时间是可能的。直接致动式燃料喷射阀的例子在共同拥有的美国专利No.6,298,829、6,564,777、6,575,138和6,584,958中有公开。
通常认为在喷射事件结尾时燃料喷射阀的快速关闭对于减少发动机的未燃烧燃料的排放量是很重要的，因为使在燃烧周期后期引入的燃料发生燃烧是更困难的。此外，在活塞动力冲程后期燃烧的燃料所产生的动力并不如在动力冲程早期燃烧的燃料产生的多。例如，共同拥有的美国专利No.6,298,829(’829专利)教导了一种加速关闭直接致动式燃料喷射阀的方法，该方法包括起初使到电线圈的电流(或施加于压电致动器的电压)反向，以便将施加于围绕磁致伸缩致动器(或压电致动器)的线圈的磁场(或电压)反向。为了在阀针冲击阀座时使阀针减速并且减少对阀针的磨损，可以在使电流(或电压)归零之前使其再次反向。除了磨损之外，减小阀针速度的另一个原因在于，如果关闭速度太快，则可能导致阀针从阀座上弹回，从而当阀针反弹时从座升起时导致后喷射的燃料的量不可控。与这种方式相关的限制在于，有些致动器驱动机构的电子电路速度不够快，从而不能平稳并且快速地改变电流(对于磁致伸缩致动器)或者足够快地改变电压(对于压电致动器)以便有效地采用这种策略。
‘829专利还公开了可替代的方法，由此更加缓慢地将电流或电压减小到零，而不必将电流或电压反向。’829专利通过斜率更缓的虚线绘出了说明这种方法的电流和电压与时间的关系的图。虽然这种方法确实减小了在阀针尖端上的冲击和磨损，但是缺点在于阀针不能被快速地关闭，这可能导致燃烧周期后期喷射更多的燃料。
应变式致动器的期望性质是它们在高的力下产生非常快速运动的能力。虽然这些属性有助于快速致动阀构件，但是如果在接近阀座时阀构件运动得太快，则除了从阀座弹回的可能性外，对于直接致动式燃料喷射阀，来自阀针冲击阀座的实际应力通过传递元件而传递回致动器。如果不进行合理的控制，则这种由于关闭阀而产生的实际应力可能会非常突然，并且可能对致动器产生损坏，这由应变式致动器元件中裂纹的形成和/或对阀构件或阀座的损坏或过度磨损来证明。这种损坏可能由一段时间上累积的中等严重的应力引起或由孤立的异常高的关闭冲击引起。因此，虽然期望快速关闭喷射阀，但是对于由应变式致动器操作的直接致动式燃料喷射阀时，由于损坏致动器的可能性，因此还需要减小阀针在阀座上的冲击力。如果在致动器和其他部件上产生了过大的应力，则最快的关闭时间并不是最佳的。因此，除了简单减少关闭阀的时间外，对打开和关闭运动过程中阀针以及在致动器和阀针之间的传递元件的加速度、减速度和速度进行控制的方式对于防止所有这些部件上产生过大应力是很重要的。
对于用于喷射气体燃料所采用的燃料喷射阀来说，还有另外一个考虑。与液体燃料相比，气体燃料在阀针关闭时并不对阀针产生很大的阻碍。对于喷射液体燃料的燃料喷射阀来说，从阀构件和其阀座之间挤出的液体燃料有助于阻止阀针的关闭动作，从而进一步减少关闭时的冲击力。“挤压薄膜”能够在关于液体润滑的文献中很好的理解。这里将气体燃料定义为当其流过并且流出喷射阀时处于气相状况的燃料。因此，与意于用于液体燃料的燃料喷射阀相比，为了喷射气体燃料，更需要一种关闭燃料喷射阀并且降低关闭时的冲击力的改进的方法。图8示出了各种液体和气体之间流体密度的巨大变化。在氢的情况下，与液体燃料相比，密度差值接近两个数量级。
发明内容
公开了一种操作直接致动式阀的方法，所述直接致动式阀包括能够由致动器驱动机构操作以致动阀构件在关闭位置与打开位置之间行进的应变式致动器，在所述关闭位置所述阀构件接触阀座，在所述打开位置所述阀构件与所述阀座间隔开，所述方法包括将位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件，通过对所述致动器施加预载压缩应力并且将下述的至少之一限制为小于预定极限值：(a)所述阀构件当在所述打开位置和所述关闭位置之间移动时的加速度和减速度，以及(b)所述阀构件在与所述阀座刚好接触之前的速度，从而在所述致动器上保持大于预定最小应力的压缩应力。在优选实施方式中，所述方法进一步包括由弹簧机械地施加所述预载压缩应力。应变式致动器可以包括压电元件，在这种情况下，预载压缩应力优选大于或等于4MPa，并且保持在致动器上的预定最小应力优选为至少1MPa。在其他实施方式中，应变式致动器可以包括磁致伸缩元件，在这种情况下，预载压缩应力优选在10MPa和14MPa之间，并且保持在致动器上的预定最小应力优选为至少5MPa。取决于应变式致动器的类型，不同的预压缩应力是优选的，但是在所有实施方式中，保持压缩应力大于预定最小值以防止由于振荡应力损坏致动器是很重要的。对于压电致动器来说，更低的压缩应力就足够了，这是因为由压电致动器产生的位移量在预载压缩应力的实际范围内大致相同。然而，对于磁致伸缩材料来说，已经发现有一个压缩应力范围，在该范围内更高的位移量是可能的。
所述方法优选进一步将所述阀构件与所述阀座刚好接触之前的速度减小为小于每秒一米。减小阀构件的速度减小了在阀构件上的冲击磨损、传递到致动器的振动波以及阀构件从阀座弹回的可能性。此外，所述方法优选进一步包括限制所述阀构件的加速度与减速度，使得将所述致动器上的所述压缩应力保持为大于所述预定最小应力。在有些实施方式中，限制加速度与减速度能够允许更低的预载压缩应力，因为这种限制降低了通过阀构件的运动传递到致动器的振荡应力的幅值。
操作包括应变式致动器的直接致动式阀的优选方法涉及控制阀构件如何在阀构件接触阀座的关闭位置和阀构件与阀座间隔开的打开位置之间行进。致动器能够由致动器驱动机构操作以致动阀构件。所述方法包括将位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件，对所述致动器施加保持所述致动器上的压缩应力大于预定最小应力的预载压缩应力，以及将所述阀构件致动从所述打开位置到所述关闭位置的关闭距离，这是通过如下实现的：修整来自所述致动器驱动机构的信号，使得对于所述信号的在所述阀构件行进所述关闭距离的大部分时的第一部分来说，所述信号以按时间平均的第一速率改变幅值，所述第一速率高于在所述信号的第二部分过程中按时间平均的第二速率，当所述阀构件与所述阀座之间的接触恢复时结束。可以将所述信号整形为具有绘出的信号幅值相对于时间的关系的至少两个不同斜率，其中所述信号的所述第一部分具有陡于所述第二部分的斜率。根据致动器驱动机构的容量，所述信号可以在第一部分中具有恒定的斜率，并且在第二部分中具有恒定的斜率。可以将所述信号整形为具有多个不同的斜率。例如，如果采用三个不同的斜率，则第一区段可具有最陡的斜率，而后面的斜率可以逐渐变小。虽然各个区段中的斜率可以不同，但是优选避免斜率变化太急剧，因为这可导致应力振荡，这种振荡将被传递回致动器。在其他实施方式中，所述信号可以整形为随着时间呈阶梯状，其中与所述第二部分中的连续阶梯相比，所述第一部分中的连续阶梯从一个阶梯到下一个阶梯的信号幅值变化更大。在又一个实施方式中，所述信号可以整形为采用连续的曲线，所述曲线具有过渡到较缓第二部分的较陡的第一部分。例如，致动器驱动机构信号可以整形为1/x的函数，其中x为时间。
当期望快速关闭阀时，所述方法优选进一步包括控制第一部分的持续时间小于0.1毫秒。由于大部分关闭距离是在第一部分过程中行进的，因此阀在第二部分开始时就几乎关闭了，且在第二部分过程中通过阀的流体流减少，所述第二部分可具有比第一部分长的持续时间。优选地，将在所述第二部分过程中流动通过所述直接致动式阀的流体质量流动速度限制为小于通过所述直接致动式阀的最大流体质量流动速度设计值的20％。在优选的实施方式中，所述方法进一步包括控制第二部分的持续时间小于0.9毫秒。所述方法可进一步包括在所述信号的所述第一部分过程中将所述阀构件的加速度限制为小于预定值，以及在从所述信号的所述第一部分过渡到所述信号的所述第二部分时，将所述阀构件的减速度限制为小于预定值。所述方法还进一步包括将阀构件的绝对速度限制为小于预定速度。
在优选的应用中，可以采用直接致动式阀来调节工艺流体的流动，当工艺流体在阀构件和阀座之间流动时处于气相状态。所述方法可进一步包括使用所述直接致动式阀来将燃料喷射到内燃机中，在优选实施方式中，可以将所述燃料从所述直接致动式阀喷射到所述内燃机的燃烧室中。内燃机可以是具有至少10∶1的压缩比、更优选为具有至少14∶1的压缩比的高压缩内燃机。
如果应变式致动器包括压电元件，则致动器驱动机构控制施加于压电元件的电压，并且所述方法包括对致动器驱动机构进行编程，以改变电压幅值，从而改变致动器所产生的位移量。如果应变式致动器包括磁致伸缩构件，则致动器驱动机构控制施加于电磁线圈的电流，以改变被引导通过磁致伸缩构件的磁场的强度，并且所述方法包括对致动器驱动机构进行编程，以改变电流幅值，从而改变致动器所产生的位移量。这些应变式致动器的优点在于使用了致动器驱动机构，因此可以控制致动器产生的位移量，以便控制阀构件使其运动到在零位移和最大位移之间的中间位置，此外还能控制阀构件的速度和加速度。
为了实施所述方法，一种直接致动式阀包括：阀体，所述阀体包括喷嘴端以及在所述阀体内的流体通道，所述流体通道用于将工艺流体从供应轨道传送到布置在所述喷嘴端内的喷嘴腔；阀构件，所述阀构件设置在所述阀体内并且能够在关闭位置与打开位置之间移动，其中在所述关闭位置，当所述阀构件坐置抵靠与所述喷嘴端相关联的阀座时，阻止工艺流体从所述喷嘴腔流到至少一个喷嘴孔，并且在所述打开位置，当所述阀构件提升离开所述阀座时，工艺流体能够从所述喷嘴腔流过所述至少一个喷嘴孔；预加载有压缩应力的应变式致动器，所述应变式致动器能够被激励，从而通过具有响应于致动器信号而变化的长度来产生线性位移量；传输元件，所述传输元件将所述线性位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件；致动器驱动机构，所述致动器驱动机构被编程为用以调节所述致动器信号，以导致所述阀构件在所述打开位置与所述关闭位置之间移动，并且控制这种移动的加速度和减速度不越过预定的极限值，因此，当在从所述打开位置之一到所述关闭位置的关闭运动中移动所述阀构件时，与接近所述关闭运动结尾时相比，所述致动器信号在所述关闭运动开始时以更高的速率改变幅值。可以通过用于所述关闭运动的预定信号对所述致动器驱动机构进行编程，由此在所述关闭运动的第一部分过程中所述阀构件朝所述关闭位置加速运动，而在所述关闭运动的第二部分过程中所述阀构件朝所述关闭位置减速运动，所述第一部分具有小于0.1毫秒的持续时间，所述第二部分具有小于0.9毫秒的持续时间。同样可以对所述致动器驱动机构进行编程，以便将所述阀构件的绝对速度限制为小于预定速度。优选地，预先确定结束所述第一部分以及开始所述第二部分的计时，以便将在所述第二部分过程中通过所述阀的工艺流体的质量流动速度限制为小于通过所述直接致动式阀的最大流体质量流动速度设计值的20％。
在优选实施方式中，应变式致动器包括靠近电磁线圈设置的磁致伸缩部件或至少一个压电元件。应变式致动器，对于压电致动器，优选地预加载有至少4MPa的压缩应力，而对于磁致伸缩致动器，则预加载有在10MPa和14MPa之间的压缩应力。
可以采用直接致动式阀来控制工艺流体的流动，当工艺流体在阀构件和阀座之间流动时处于气相状态。在优选实施方式中，直接致动式阀为喷射阀，并且所述阀构件能够向内运动并离开所述喷嘴端以便打开，所述喷嘴端包括在下游的孔，从所述下游处，所述阀构件接触所述阀座，因此当所述阀构件被提升离开所述阀座时，所述工艺流体能够从所述孔喷出。可将所述喷嘴端成形为在所述喷嘴端中具有囊。
传输元件可以包括被动式液压连接件。在有些实施方式中，所述液压连接件可填充有为膨胀流体的液压流体。所述被动式液压连接件可包括设置在缸内的活塞，并且可进一步包括至少一个设置成穿过所述活塞的孔，从而将所述活塞一侧的空间流体连接到所述活塞的另一侧。当一个或多个孔应用为穿过活塞时，活塞环密封件优选设置在活塞和缸之间，以防止液压流体通过在活塞和缸之间流动而绕过所述孔。
所公开的直接致动式阀适于将燃料喷射到内燃机中，因此在优选实施方式中，工艺流体为可在内燃机中燃烧的燃料。所述喷嘴端可适于安装在所述内燃机的燃烧室中，由此能够将所述燃料直接喷射到所述燃烧室中。
在另一个优选实施方式中，一种直接致动式阀包括：阀体，所述阀体包括喷嘴端以及在所述阀体内的流体通道，所述流体通道用于将工艺流体从供应轨道传送到布置在所述喷嘴端内的喷嘴腔；阀构件，所述阀构件设置在所述阀体内并且能够在关闭位置与打开位置之间移动，其中在所述关闭位置，当所述阀构件坐置抵靠与所述喷嘴端相关联的阀座时，阻止工艺流体从所述喷嘴腔流到至少一个喷嘴孔，并且在所述打开位置，当所述阀构件提升离开所述阀座时，工艺流体能够从所述喷嘴腔流过所述至少一个喷嘴孔；预加载有压缩应力的应变式致动器，所述压缩应力保持大于预定最小应力，所述应变式致动器能够被激励，从而通过具有响应于致动器信号而变化的长度来产生线性位移量；传输元件，所述传输元件将所述线性位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件；致动器驱动机构，所述致动器驱动机构被编程为用以调节所述致动器信号，以导致所述阀构件在所述打开位置与所述关闭位置之间移动，并将下述的至少之一限制为小于预定极限值：(a)所述阀构件在所述打开与所述关闭位置之间移动时的加速度和减速度，和(b)所述阀构件在与所述阀座刚好接触之前时的速度。在该实施方式中，可以采用设置在所述阀体与所述应变式致动器之间的弹簧将所述压缩应力施加于所述应变式致动器。传输元件可包括被动式液压连接件，在优选实施方式中，液压连接件可以充满为膨胀流体的液压流体。与其他实施方式相同，所述被动式液压连接件包括设置在缸内的活塞以及至少一个设置成穿过所述活塞的孔，从而将所述活塞一侧的空间流体连接到所述活塞的相对侧。此外，与其他优选实施方式相同，当在从所述打开位置之一到所述关闭位置的关闭运动中移动所述阀构件时，对所述致动器驱动机构进行编程，从而与接近所述关闭运动结尾相比，在所述关闭运动开始时以更高的速率来减小所述致动器信号的幅值。
附图说明
参考附图能够更好地理解直接致动式阀和其操作方法，这些附图说明了阀的优选布置以及用于实施本发明方法的说明性的致动器信号形状。
图1为带有磁致伸缩致动器的直接致动式燃料喷射阀的示意图；
图2为带有压电致动器的直接致动式燃料喷射阀的示意图；
图3为绘制了致动器信号幅值与时间的关系的图，其中具有包括两个斜率的关闭形状；
图4为绘制了致动器信号幅值与时间的关系的图，其中具有包括三个斜率的关闭形状；
图5为绘制了致动器信号幅值与时间的关系的图，其中具有包括阶梯的关闭形状；
图6为绘制了致动器信号幅值与时间的关系的图，其中具有为连续曲线的关闭形状；以及
图7为用于直接致动式阀的被动式液压连接件的另一个实施方式的示意图，具有限制从活塞一侧到另一侧的流动的孔。
图8为示出了气体燃料与液体燃料的流体密度之间的差别的图表。
具体实施方式
图1和2分别示出了直接致动式燃料喷射阀100和200的两个优选实施方式，其可以用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室中。详细描述了这些带有应变式致动器的直接致动式喷射阀的这些例子，来说明这类的喷射阀与传统电-液致动式喷射阀之间的差别，该传统电-液致动式喷射阀可以使用应变式致动器来操作液压控制阀。这种区别是很重要的，因为当前公开的关闭直接致动式阀的方法专注于与采用应变式致动器的直接致动式阀相关联的技术挑战，并且所公开的方法专用于这类阀。虽然已经公知将燃料喷射到燃烧室中是特别适于当前公开的阀的一种应用，但是同样理解，具有所公开特征的阀可以有利地用于其他应用。例如，带有应变式致动器的直接致动式阀可以用于将燃料喷射到入口空气岐管中而不是直接喷射到燃烧室中，或者可用于将燃料喷射到燃料单元岐管中，或当用于计量流体的精确计时和/或数量很重要时，用于在工业处理中对流体进行计量。
现在参见图1，燃料喷射阀100包括长形的阀壳体102，阀壳体102与阀盖104和阀尖端106协作以便提供流体密封的阀体。本领域技术人员将会理解到，图1只是个示意图，而不是画成与实际成比例，并且未示出诸如阀体是如何可由多个零件制成的实际细部。可以采用弹性环密封件和垫片来确保组装好的阀体是流体密封的，并且有些阀体零件可以通过已机加工得非常光滑的金属与金属间的密封表面彼此抵接，从而实现流体密封。阀盖104包括入口端口108，燃料通过入口端口108进入阀体，阀尖端106包括至少一个喷嘴孔110，燃料通过喷嘴孔110离开阀体。阀尖端106还包括阀座112，其与阀针114的相对表面协作，以便在阀针114压靠阀座112时阻止燃料流过喷嘴孔110。
阀针114包括阀杆114a，阀杆114a通过在阀体内向内移动以提升远离阀座112而移动到打开位置。阀杆114a是圆柱形构件，并且由于阀的提升距离通常很小(例如，对于有些直接致动式喷射阀来说最多只有250微米)，因此，将阀杆114a的直径选择为确保通过阀的打开具有足够的流量，因为流动面积与阀杆直径成比例(即，流动面积＝π×直径×提升距离)。对于应变式致动器来说，位移量和相应的阀针提升距离是致动器元件的长度的函数。因此，较小的致动器，以及小的提升距离能够通过较大的针直径来补偿。与具有喷嘴孔110的端部相比，喷嘴尖端106包括具有相对较大直径的部分，以容纳阀针114的直径。在优选实施方式中，期望将阀座112定位成靠近喷嘴孔110，以便减少座与孔之间的通道体积，从而改善对所喷射燃料的精确量以及当这种燃料被喷射时的所述燃料的分散的控制。
在可替代的布置中(示出在共同拥有的美国专利No.6,575,138中)，可以利用提升式阀尖端，这样阀针的向下运动导致其打开。在该可替代的布置中，致动器组件优选位于阀针上方，使得当致动器被激励而在长度上膨胀时，其通过对阀针施加向下的移位力而打开喷射阀。本领域技术人员将会理解到，这里所公开的方法和特征可以适于并且应用于具有该可替代布置的阀中，从而实现类似的结果。
弹簧组件将阀针114偏置在关闭位置。在优选布置中，弹簧组件包括至少一个针簧116。参考图1的实施方式，弹簧组件还包括用于将关闭力从针簧116均匀地传送到阀针114的针簧引导件118。针簧116通过针簧调节器120而保持压缩，针簧调节器120与针簧壳体122相协作，从而为阀壳体102提供负载路径。在优选的布置中，相应的螺纹表面将针簧调节器120结合到针簧壳体122，并将针簧壳体122结合到阀壳体102。在针簧调节器120已经转动以压缩针簧116而向针簧116提供希望的关闭力之后，将锁定螺母124拧紧，以防止针簧调节器120松动。
将致动器组件致动以提供打开力，该打开力与由弹簧组件提供的关闭力相反且大于该关闭力。在图1所示的实施方式中，致动器组件包括磁致伸缩构件，当该构件暴露于磁场时，它在打开力的方向上膨胀。磁致伸缩构件130具有在磁场作用下变形的晶体栅格，其变形量是磁场强度的函数。当断开对电线圈132的激励时，磁场消散。在图1中，致动器包括磁致伸缩构件130和围绕磁致伸缩构件130的外径设置的电线圈132。电流被供应到电配件136。电导线(未示出)将电流从电配件136传导到电线圈132。当将电流施加到电线圈132时，就产生了流过磁致伸缩构件130以及极138、140和142的磁场。极138、140和142由合适的材料制成，例如碳素钢(例如CS1018)或具有低磁滞的钢。极138是“固定”极，它为磁致伸缩构件130和电线圈132的第一端提供结构支撑。极140与磁致伸缩构件130的第二端相关联，而极142与电线圈132的第二端相关联。极140是“内”极，而极142是围绕内极140同心布置的“外”极。极142和电线圈132通过锁定螺母144保持在适当位置，锁定螺母144优选地旋入到阀壳体102的内壁中。极140和142彼此协作，从而在致动器组件的第二端处为磁场提供磁通路径，但是，极140可相对于极142移动，从而磁致伸缩构件130可在定向成使得致动器组件提供与弹簧组件的关闭力相反的打开力的磁场方向上膨胀。
已经知道对磁致伸缩构件施加预压缩力以扩大当施加磁场时的膨胀幅度。磁致伸缩构件130的预压缩机械地压缩晶体栅格，从而增大了所施加的单位磁场的可能净位移量。在使用预压缩力时，致动器的位移量可以增加至磁致伸缩构件130的总长度的约0.13％。然而，正如这里所公开的，同样还有其他的原因要对致动器施加压缩应力，例如防止在致动器中出现拉伸应力，以及保持致动器组件和液压连接组件之间的接触。因此，在优选实施方式中，将施加于致动器组件的压缩应力预先确定为用以平衡所有因素，这些因素得益于保持在致动器上的压缩应力，并且考虑对压缩应力有贡献的所有因素，包括弹簧150、燃料压力以及在操作过程中将致动器致动的效果。相应地，由此教导一旦确定了预定压缩应力，则就对响应于该预定压缩应力的阀针运动的受控加速度、减速度以及速度就设定了限制。即，虽然弹簧150只是影响总压缩应力的一个因素，但是设计阀时，可以将弹簧150设置成具有所选择的弹簧力，来传递实现期望性能特征所需要的期望总压缩应力，所述期望的性能特征包括实现期望的位移量，防止在致动器组件中产生拉伸应力，以及保持致动器组件与设置在致动器组件和阀针之间的被动式液压连接组件之间的接触。现有技术中的阀由于有些认识到需要减少阀针和针座之间的冲击力而简单地教导尽可能快地关闭阀，与现有技术中的这种阀不同，这里所公开的方法和设备教导：在施加于致动器组件的预定压缩应力与阀针加速度、减速度和速度之间存在关联，并且在打开和关闭阀针运动过程中需要限制这些变量，以防止对致动器和阀部件施加过大的应力。
通过例子，在图1中，示出了作为对致动器组件施加预压缩力的部件的盘形弹簧150。在其他实施方式中，可使用不同的压缩元件代替盘形弹簧150以提供压缩力，诸如例如，卷簧(在图2的实施方式中示出)或具有同样弹簧力的其他类型的弹簧，液压活塞，或压缩元件的组合。
如图1所示，在该实施方式中的致动器组件位于阀壳体102内且围绕阀杆114a同心布置，在那里其占据阀杆114a和阀壳体102之间的环形空间的一部分。当燃料与致动器相容时，这种布置是合适的，因为致动器组件暴露于在从入口端口108到喷嘴孔110的路径上被引导穿过中空的阀体的燃料。
在优选的实施方式中，由致动器组件产生的打开力通过被动式液压连接组件传递至阀针114。被动式液压连接组件包括液压缸160，液压缸160围绕液压活塞114b以紧密配合关系设置，液压活塞114b在缸160内在纵向方向上自由移动。如上所述，在图1所示的实施方式中，液压活塞114b是阀针114的一体的部分，缸160的侧壁帮助引导阀针114在致动方向上的运动。利用缸盖162和密封件166、168将粘性液压流体密封在液压缸160内(参见图2)。密封件166和168分别允许阀针114相对于缸盖162和缸160运动。可利用已知的密封件，例如如弹性O形环密封件、密封圈、金属密封件或隔膜/波纹管密封件。
液压活塞114b的外径和液压缸160的内径之间的径向间隙极小(在有些实施方式中在50到250微米的数量级上)。所述间隙的期望尺寸取决于所选择的液压流体的粘度。间隙中的液压流由哈根-泊肃叶流动定律(Hagen-Poiseuille Flow Law)和液压流体性质控制。优选地将间隙选择为使得在燃料喷射事件的时间间隔过程中当打开力被传送通过液压流体时，穿过该间隙的液压流体流是很少的。此外，液压流体优选具有足够高的粘度和体积模量，使得当致动器组件的致动导致阀打开力迅速传送通过设置在缸160的底部和液压活塞114b之间的液压流体时，液压流体就作为不可压缩的固体。为了操作的一致性，液压流体还优选为在较宽的温度范围上(即，在缸160内的期望操作温度内)保持其期望性质的极稳定的流体。适当的液压流体例如是，传统的机油如15W40级机油，或合成润滑剂如在粘度范围内可用的
Figure GSB00000625339800131
Figure GSB00000625339800132
油或油脂。
Figure GSB00000625339800133
是全氟聚醚(PFPE)合成润滑剂，其可与增稠剂相混合而形成油脂。这些类型的液压流体也有助于对密封件166和168进行润滑。在其他实施方式中，液压流体可以是非牛顿膨胀流体，诸如例如，其化学和物理性质长期稳定并且或者与期望操作条件相容的共聚物分散体。对于固定静压和温度，牛顿流体具有恒定的粘度，而非牛顿流体的粘度则是剪切应力的函数。对于膨胀流体，粘度随着剪切率的增大而增加。可以将流体定义为在经受剪应力时发生连续变形的物质。适于用作本发明的被动式液压连接件的液压流体的膨胀流体具有增大的粘性，使得在阀被致动时，当膨胀流体承受与突然的冲击压力以及相关联的增大的流体应变速率相关联的高剪应力时，它表现得不像流体而更像固体。使用膨胀流体用于液压流体的优点在于，膨胀流体在不承受高剪切负载时的较低粘度允许每当阀未被致动时流体从活塞的一侧容易地流到另一侧，同时也便于制造过程中的组装。较低的表面张力也是期望的性能，这是因为它通过减少与有些组装技术可能相关联的具有捕获气泡的倾向而益于制造过程。液压活塞114b和缸160之间的更大间隙也是可能的，这是因为当阀被致动时，膨胀流体的表观粘性增大，从而限制了通过间隙的流，并且更大的间隙还便于制造和组装。类似于膨胀流体，液压流体可以是具有可变粘性或可变流阻的其他流体，例如所谓的“智能流体(smart fuild)”。在这里将智能流体定义为表示那些其粘性或流阻可在不同时刻被控制为不同值的流体，当阀打开时具有较高的粘性或阻力，而当阀关闭时具有较低的粘性或阻力。例如，当施加磁场时，磁流变流体或铁磁流体的粘性增大，这是因为施加磁场时，小磁偶极子悬浮在非磁性流体的怕列中并形成增大粘性的串。磁流变流体和铁磁流体之间的差异在于磁性颗粒的尺寸，其中，磁流变流体的颗粒尺寸典型地在0.1到10微米的范围内，而铁磁流体具有悬浮在载体流体中的纳米级铁磁体或铁磁颗粒。另一种类型的智能流体是电流变流体，当对其施加电场时其屈服应力点变化以增加流阻。对于电流变流体，粘性并不变化，但是通过改变屈服应力点会改变流阻，当将其用作液压连接组件中的液压流体时，这具有相同的效果。在所公开的被动式液压连接件的应用中，目的是为了控制流体流，使得当致动器被激励时，液压流体不流动，并且作为致动力可以通过其传递的具有恒定尺寸的固体起作用。在喷射事件之间，当致动器并未被激励时，较低的粘性或对流动的较低的阻力是期望的，使得当液压流体从液压活塞的一侧自由流到另一侧时，液压流体能够对其自身进行再分配并且使液压连接组件回零。
因此，可以设计不同的阀来采用具有不同尺寸的活塞和间隙的被动式液压连接件，其中间隙的尺寸取决于所选择的液压流体、其粘性以及其是否具有诸如例如膨胀流体、磁流变流体或铁磁流体的可变粘性、或诸如电流变流体的可变流阻。
当喷射阀100被关闭并且停止工作时，关闭力从弹簧16传递到阀针114，盘形弹簧150将缸盖162和液压缸160向下推动并使其与致动器组件接触，由此能够将保持在缸盖162和液压活塞114b之间的液压流体推动通过液压活塞114b和液压缸160之间的间隙，从而使液压活塞114b和液压缸160底部之间的空间保持为充满液压流体。弹簧将液压流体从活塞的上侧主动移位到下侧这一作用是所说明的利用被动式液压连接组件的优选实施方式的优点，该被动式液压连接组件包括液压活塞，液压活塞通过设置在液压活塞两侧的液压流体将液压缸分成两个室。典型地，在发动机操作过程中，喷射阀100在大部分时间里(通常超过90％的时间)是关闭的。因此，在喷射事件之间，液压流体有足够的时间通过流过问隙而将其本身重新分配，使得液压缸160相对于液压活塞114b运动，从而相对于液压缸160将其自动“回零”。在喷射阀100组装好之后，液压活塞114b在液压缸160内的初始零位置为阀针114坐置、致动器未被激励并且缸160受迫与极140接触而极140又受迫与磁致伸缩构件130接触时的位置。由于在规定制造公差之内所制成部件的长度的变化，因此，对于所有喷射器来说，活塞114b相对于缸160的初始零位置不需要是完全相同的。同样，在操作过程中，所述零位置自动调整从而根据例如部件磨损或根据热膨胀对部件之间尺寸关系的影响而改变。
由于部件之间的热膨胀系数不同或热分配不均匀，可引起不同的热膨胀或收缩。即使将喷射阀100的部件，如磁致伸缩构件130、阀针114和阀壳体102优选设计成与其他部件的热膨胀率合理匹配，但由于阀针提升量和引起提升的部件的位移量太小，因此也需要考虑热膨胀或收缩的影响，以保证实现期望的阀针提升量。如果喷射阀暴露于宽范围的温度中，则热膨胀和收缩的影响能够被放大。对于在车辆中使用的喷射阀来说，期望温度范围在-40℃(在较冷的天气中)和+125℃(当发动机运转时)之间并非异常。不均匀的温度分配可能是许多因素的结果，这些因素包括如(1)在线圈132处所产生的热的影响；(2)在致动器组件中的磁、机械或电迟滞的影响；和(3)通过阀尖端106从液压缸头部或燃烧室传出的热量以及燃烧室是在气缸组的中间还是端部的影响。如果不进行解决，则不同的热膨胀或收缩对阀针114位移量的总影响可能大于目标提升量。
因此，液压连接组件解决了由在制造过程中和喷射阀组装方法中允许的公差所引起的部件尺寸的变化的问题。因此，液压连接组件通过允许喷射阀部件制造成具有不那么严格的公差而降低了制造成本。此外，在操作过程中，液压连接组件在喷射事件之间对其自身进行自动调整，以解决例如可能由部件磨损或不同的热膨胀或收缩所引起的喷射阀部件之间尺寸关系的变化这一问题。
为开始喷射事件，通过将电流传导至电线圈132来激励致动器组件。产生流过磁致伸缩构件130和极138、140以及142的磁场。在磁场的影响下，磁致伸缩构件130在长度上(在磁场方向上)膨胀。由于极138保持在固定位置，因此磁致伸缩构件130在液压缸160的方向上膨胀。源自于膨胀的磁致伸缩构件130的打开力被传送通过内极140、缸160的基部和保持在缸160的基部和液压活塞114b的底面之间的液压流体，并最后通过液压活塞114b本身，活塞114b在所示的实施方式中与阀针114是一体的。打开力大于由于阀针116的压缩所产生的关闭力。液压缸160的移位还导致盘形弹簧150的进一步压缩。
如前面讨论的，由于阀致动是突然发生的(在200us的数量级上)，因此，设置在液压活塞114b和缸160基部之间的液压流体没有时间流过液压活塞114b和液压缸160之间的狭窄间隙。相反，由于液压流体的尺寸厚度大致恒定，因此液压流体表现得更像固体，并且通过液压活塞114b将磁致伸缩构件130的运动传递给阀针114，导致阀针114提升离开阀座112。因为喷射阀100保持打开很短暂的时间(典型地小于3毫秒)，所以只要液压流体164的粘性是适当选择的，且所述间隙的尺寸是适当确定的，则在喷射阀100打开时流过间隙的液压流体164流是非常小的，使得由这种流导致的任何位移量大大小于阀针114的总位移量。如果液压流体为非牛顿膨胀流体，那么是流体的本身性质导致其在承受突然的冲击压力以及增大的流体应变速率时表现得像具有固定厚度的固体。虽然燃料喷射阀在这里作为说明性示例公开，但是用于其他目的的阀也可以通过识别用于打开和关闭阀的操作模式，然后适当地确定活塞相对侧之间的限制流动区域的尺寸，并且选择具有合适性质的液压流体，从而使得在阀打开时没有明显的液压流体流，来使用被动式液压连接组件。
阀针114的运动在阀尖端106附近由引导件180引导。在喷射事件之间，燃料保留在阀针114、壳体102以及阀尖端106之间的环形空间中。当喷射阀100打开时，燃料流过环形空间以及在阀部件之间并且设置成穿过阀部件的流体通道，这些通道一起协作以允许燃料从入口端口108自由地流到喷嘴孔110(其可以是从喷嘴喉部径向定位的多个喷嘴孔之一)。
在喷射事件的结尾，为了关闭喷射阀100，去除对电线圈132的激励，使磁致伸缩构件130收缩。通过控制减小传导至电线圈132的电流的速率，可以在其在关闭运动开始加速时以及在接近结尾减速时，控制收缩速率，以引导阀针的加速和减速。正如下面将更加详细说明的，当致动器收缩时，针簧116和盘形弹簧150膨胀，以保持阀针114和被动式液压缸连接组件之间以及被动式液压缸连接组件和致动器组件之间的接触。当阀针114从打开位置移动到关闭位置时，施加于针的关闭力主要源自针簧116，并且盘形弹簧150能够在关闭方向上通过缸盖162和布置在其间的液压流体而在液压活塞114b上施加一些力。当阀针114从打开位置移动到关闭位置时，所经过的时间与打开运动相似，典型地也是小于250毫秒，并且优选小于大约200毫秒，因此液压流体也没有时间流过液压活塞114b和缸160之间的间隙。因此，除了来自针簧116的关闭力可以从下面传递从而移动液压活塞114b和活塞与液压缸160底部之间的液压流体之外，来自盘形弹簧150的关闭力可以通过液压活塞114b上方的液压流体在缸盖162和液压活塞114b之间传递。一旦阀针114抵靠阀座112并且被动式液压连接件将其位置归零，盘形弹簧150通常不对阀针114施加任何关闭力。盘形弹簧150的主要功能是在致动器组件上施加压缩力以及压缩应力，所述压缩力使液压缸160与致动器组件保持接触，所述压缩应力用以在致动器中保持预定的最小应力。当缸盖162跟随液压活塞114b向下运动时，盘形弹簧150解除压缩状态而膨胀，并且提供将缸160推向致动器组件的主要压缩力，以帮助在磁致伸缩构件130中保持预定的最小压缩应力。
一旦阀针114接触阀座112，喷射阀100就被关闭。在喷射阀100关闭时，液压连接组件自动自我调整，使得液压缸160相对于液压活塞114b的位置得以校正，从而解决在阀针114处于打开位置时可能出现的温度、磨损和阀针114相对于液压缸160的任何微小运动的影响。所述自动调整是通过液压流体164从液压活塞114b的一侧向另一侧迁移实现的，而盘形弹簧150有助于迫使液压缸160和致动器组件在所有时候均彼此接触。因此，当阀针114坐置时，被动式液压连接组件归零，对被动式液压连接组件的激励被解除，并且致动器组件和液压缸160相接触，液压活塞114b和液压缸底部之间的空间充满液压流体。
这里被动式液压连接组件被描述为“被动”，是因为，如上所述，在燃料喷射阀的致动过程中，液压连接组件被密封，并且液压流体不从活塞的一侧流到另一侧。当针处于打开位置的短时间内，液压流体不流动，并且具有基本固定的尺寸，并在这些方面表现得更像固体而不是流体。然而，在喷射事件之间，液压流体确实具有足够的时间流过间隙，从而改变保持在液压缸160和液压活塞114b每侧之间的液压流体的厚度，以便使缸160相对于液压连接组件的活塞114b的位置自动归零。这与更加传统的液压传输机构不同，该传统的机构使用活塞来移动液压流体从而致动阀，从而在液压流体被移位以打开和关闭阀时需要液压流体流动。
图2示出了由应变式致动器直接致动的燃料喷射阀的另一个实施方式。在图2中，燃料喷射阀200的在功能上与图1实施方式中的那些部件相同的部件用相同的附图标记来表示。这个实施方式的主要不同在于，应变式致动器包括取代磁致伸缩构件的压电元件230。电子配件136不是连接到电磁线圈，而是用于将电线(未示出)连接到压电元件230，以施加电压来改变电荷并产生压电元件230的伸长，从而引起阀针114的相应纵向移位。另一个不同在于，使用卷簧250取代盘形弹簧150来给致动器施加预载以及压缩力，并且保持液压缸160和压电元件230之间的接触。如果例如期望更加紧凑的设计，则可以通过用盘形弹簧代替盘簧116而以类似的方式实现相同的功能。
如图1和2所示，对致动器组件施加压缩力的弹簧设置在当关闭以与针弹簧116协作地朝向坐置位置迫使阀针时也可在阀针上施加力的位置处。即，弹簧150和250可以通过设置在缸盖162和液压活塞114b之间的液压流体而将关闭力传递到针，同时对致动器组件施加压缩应力并且保持液压缸160和致动器组件之间的接触。在优选的布置中，针簧116足够强以关闭阀，并且由弹簧150和250贡献的关闭力与针簧116相协作，但不是必需的。这种布置的优点在于，针簧116和压缩弹簧150以及250协同工作，而不是彼此相对立。这优于例如美国专利No.4,725,002的那些专利所教导的现有布置，在该美国专利中，偏压致动器以便与阀针接触的第一弹簧与偏压关闭的阀针的第二弹簧的作用相反。对于现有技术中的这种布置，第一弹簧必须比第二弹簧弱，以防止第一弹簧克服第二弹簧的作用而在阀应该关闭时打开阀。由于在阀操作过程中的动态关系，如果压缩弹簧和针簧不协同工作，则会难以确定这两个弹簧之间用于在喷射事件之间使液压连接组件归零、以及用于在所有阀针运动过程中实现期望性能的最佳平衡。
由应变式致动器致动的直接致动式燃料喷射阀不同于由其他装置(例如电-液致动器或电磁螺线管致动器)致动的其他类型的阀，因为应变式致动器通过对致动器信号进行整形而允许对阀针速度、加速度和位置的更多控制。
图3到6图示了致动器信号幅值与时间的关系的图，其示出了用于控制阀针从打开位置的关闭运动的不同方式。由于信号幅值和阀针位移量之间的直接相关性，这里所用的“幅值”的意思与信号量值相同。正如这里所述，虽然所示形状每个均不同，但是它们都共同使用了相同的策略用于关闭燃料喷射阀。对于具有包括磁致伸缩构件的致动器的燃料喷射阀来说，传递到线圈用于产生电磁场的电流是控制由致动器产生的位移量的因素，因此信号幅值的单位是安培。对于具有包括压电元件的致动器的燃料喷射阀来说，用于致动器信号幅值的测量单位是施加到压电元件的电压的单位伏特。图3到6所示的不同形状在功能上类似，因为它们都以大致相同的方式实现了大致相同的结果。可根据致动器驱动机构的能力来选择致动器信号的选用形状。
与先前教导在最短的时间内尽可能快地关闭阀或者使信号反向以减慢阀针运动的已知策略不同，这里所公开的策略则涉及在开始时通过信号幅值的快速减小来加速关闭运动，以便将阀针移动靠近阀座，并在之后放慢信号幅值的变化，以使阀针减速并且更加缓慢地将其关闭，从而减少对阀座的冲击、针的反弹、冲击磨损以及通过阀针传递到致动器的振动。受控幅值的形状具有第一部分，在该第一部分上阀针在短时间内行进关闭距离的大部分。阀关闭运动的第二部分可更长些，以允许阀针在冲击阀座之前减速。第二部分的持续时间更长也是可接受的，因为与在第一部分过程中喷射的燃料的量相比，在第二部分过程中喷射的燃料的量明显更少，这是由于阀针在第二部分过程中靠近阀座，从而限制了燃料质量流动速率。因此，所公开的方法教导在针行进大部分距离所在的关闭运动的第一部分过程中以第一速率减小致动器信号的幅值，而在关闭运动的第二部分中，以低于所述第一速率的第二速率减小信号幅值。在第一和第二部分两者中，信号幅值一直在减小，其中，在第一部分过程中阀针朝关闭位置加速，而在第二部分中减速同时仍然朝关闭位置移动。与传统方法不同，虽然用于关闭阀的时间很快，但是并未对致动器信号进行整形以在最短时间内将阀针移向阀座。延长关闭运动的第二部分，以便允许阀针减速并且减小在接触阀座时的冲击。
在优选实施方式中，在第一部分和第二部分之间在致动器信号幅值变化的速率方面存在明显差别，但是另一个重要特征是限制幅值的变化速率，使得阀针可以跟上致动器位移量的变化。现有的教导并未公开将加速度和减速度限制到预定限值。在测试直接致动式喷射阀时，已经发现，如果不限制加速度和减速度，则会在致动器中产生可损坏应变式致动器的拉伸应力。例如，过大的拉伸应力可能使这种致动器的应变式元件产生裂纹。
认为，压缩波的反射可导致施加于致动器的压缩力产生波动，并且成为由直接致动式阀所采用的应变式致动器中的拉伸应力源。例如，如果快速关闭的致动器突然停止，则运动的阀部件会“反弹”并且降低致动器组件上的预载，而阀部件(尤其是液压连接组件)的惯性继续迫使致动器进一步压缩——在这种情况下，可能会出现系统在固有频率下的“振铃”。振铃由固体中交替的压缩和膨胀构成。
此外，如果致动器在长度方向上收缩地快于被动式液压连接件和阀针的机械惯性，则减速速率过高，并且在严重的情况下，认为在阀的致动过程中在液压缸和致动器之间或在彼此分开的其他传输元件之间会形成间隙。当阀针接触阀座时，间隙闭合，并且传输元件之间的接触得以恢复，而冲击力可产生振铃，所述振铃会导致可能非常有害的拉伸应力。如果振铃的频率为谐振频率或接近谐振频率，这会是特别有害的。由盘形弹簧150或卷簧250施加于致动器和传输元件的高压缩力可提供预载，所述预载有助于降低传输元件分开并且变为与致动器130、230间隔开的可能性。对于优选的实施方式，预载施加于压电致动器，以将致动器中的最小压缩应力保持为至少1MPa，更加优选为4MPa或更高。在优选的实施方式中，如果应用了磁致伸缩致动器，则可以施加更高的预载，以将致动器中的最小压缩应力保持为至少5MPa，其中预载优选在10MPa和14MPa之间，更加优选在10MPa和12MPa之间。对于磁致伸缩致动器，除了减小振铃的影响之外，在所公开范围内的更高的预载使得能产生更高的位移量。对于压电元件，增大预载也减小了振铃的影响，但是位移量基本恒定。限制阀构件和致动器的加速度和减速度的优点在于，这种方式提供了一种减小保持致动器上的期望最小压缩应力所需的预载的量的方法。即，在优选的实施方式中，响应于致动器上的预定最小压缩应力，来限制阀针和传输元件的加速度、减速度和速度，以，从而使振铃的频率保持为低于谐振频率。
图3示出了一个实施方式，其中，在关闭运动的第一部分中，受控致动器信号以恒定的速率快速下降，如斜线所示。在第二部分中，线的斜率变为更小的斜率，在这段时间中，阀针减速直到其接触阀座，与第一部分相比，第二部分花费了更长的时间来结束。
图4示出了另一个实施方式，其中，受控致动器信号采用了包括多个斜线的形状。与其他所示的实施方式相同，大部分关闭距离在关闭信号的第一部分过程中被快速行进通过，并且第一和最后区段之间的中间区段具有中间斜率，该中间斜率有助于阀针从加速平滑地过渡到减速。
图5示出了一个实施方式，其中，致动器信号幅值以阶梯状减小，但是使用了相同的策略来控制阀针的关闭，使得其通过迅速加速阀针的关闭运动以在第一部分中行进大部分关闭距离而开始，之后通过在关闭信号的第二部分中控制阶梯具有更小的幅值变化来使所述针减速。
在又一个例子中，图6示出了可以将信号幅值控制为沿弯曲形状下降，该弯曲形状开始沿着具有较大半径的曲线，然后逐渐变换到具有较小半径的曲线，然后在阀针接触阀座时变回到较大的半径。该弯曲形状同样使阀针在关闭信号的第一部分过程中行进大部分关闭距离，然后，允许阀针在第二部分中减速，所述第二部分可花费更长的时间，这是因为在第二部分过程中由于阀针与阀足够靠近而限制了燃料流，因此燃料质量流动速率小得多。这种类型的形状可以描述为1/x的函数，其中“x”为时间。
图1和2为燃料喷射阀的优选实施方式，所述喷射阀由分别具有磁致伸缩致动器和压电致动器的应变式致动器直接致动。可以对这些例子进行改变，同时仍然采用应变式致动器来直接致动阀针。图7为用于直接致动式阀的被动式液压连接件的另一个实施方式的示意图，其中将孔790的尺寸形成为限制液压流体164从活塞114b的一侧流到另一侧。孔790可以是促进流体流的多个孔之一，只要通过所述多个孔的组合流动区域能够在阀致动过程中提供限制流体流动的期望流动区域。在这个实施方式中，由于液压流体164流过孔790，而不通过活塞114b和液压缸160之间的间隙，因此可以使用活塞环密封件792来防止液压流体164绕过孔790。这种设计的一个优点在于，与规定制造公差并在之后制造具有所需精度以产生一致的间隙尺寸的活塞和缸相比，所述设计可以更加容易地制造具有一致尺寸的孔的活塞。为了便于制造，可以分开制造孔790(或多个孔)，并对其进行流动试验及分类，然后通过螺纹或干涉配合将其安装在液压活塞114b中。诸如O-形圈或垫圈式密封件的密封件可以用在孔插入件和液压活塞114b之间，以防止泄漏，使得液压流体只可流过孔790。如果使用多个孔，则在优选实施方式中它们围绕活塞114b对称地布置，从而平衡力和压力。
由应变式致动器直接致动的阀的共同特性是具有快速及精确的致动，包括在喷射事件过程中控制阀针的位置以调整质量流动速率的能力，包括不采用被动式液压连接件或使用用于放大阀针位移量的机构的阀。然而，与液压致动式喷射阀或电磁致动式喷射阀不同，与直接致动式燃料喷射阀相关联的一个共同挑战是，由于打开力以及关闭力从致动器直接传递到阀针，因此由于在阀针上的高冲击引起的或者由阀针的过快加速或减速所引起的振动被传递回致动器，这可导致对致动器的损坏。对于液压致动式燃料喷射阀来说，用于控制阀的致动器不处于它们承受由阀针的运动引起的可能的损坏性振动的位置上。即，如果液压致动式阀猛然关闭，则来自阀针冲击阀座的振动不被传递到控制阀的致动器。此外，与直接致动式燃料喷射阀不同，液压致动式燃料喷射阀不具有控制阀针以控制其位置和加速度的相同能力。因此，所公开的用于控制直接致动式阀的关闭运动的策略解决了与由应变式致动器直接致动的阀相关的大部分问题，其解决方案相信是这种类型的阀独具的。在基本的层面上，所公开的用于控制具有应变式致动器的直接致动式阀的策略，包括所公开的用于关闭阀的策略，包括在致动器上保持大于预定最小值的压缩应力，这是通过下述方式实现的，即，对致动器施加预载压缩应力并且限制下述的至少之一：(a)阀构件当在打开和关闭位置之间移动时的加速度和减速度，和(b)阀构件在与阀座接触时的速度。
促使研发所公开方法和设备的优点是减小冲击以及损坏和磨损致动器与其他部件的可能性，同时还通过减小在动力冲程后期所喷射燃料的量而改善阀的性能。然而，所公开方法和设备还具有其他优点，包括降低操作噪声。对于有些应用，坐置噪声可形成总操作噪声的相当大的部分，因此减小阀关闭时的冲击力的额外好处在于减小了操作噪声。
虽然本发明特别适于所公开的直接致动式燃料喷射阀的例子以及运行这些阀的方法，但是正如已经提出的，直接致动式阀以及关闭阀的方法也可以用于其他应用。可从快速以及精确关闭以便在液相或气相中传送流体中得到益处的任何阀都可以采用本发明。因此，虽然已经对本发明的具体元件和实施方式进行了示出和描述，但是当然应该认识到，本发明并不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本发明范围，特别是在依据上述教导的情况下对本发明进行变更。

Claims (74)

1.一种操作直接致动式阀的方法，所述直接致动式阀包括能够由致动器驱动机构操作以致动阀构件在关闭位置与打开位置之间行进的应变式致动器，在所述关闭位置所述阀构件接触阀座，在所述打开位置所述阀构件与所述阀座间隔开，所述方法包括将位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件，通过对所述致动器施加预载压缩应力并且将下述的至少之一限制为小于预定极限值：(a)所述阀构件当在所述打开位置和所述关闭位置之间移动时的加速度和减速度，以及(b)所述阀构件在与所述阀座刚好接触之前的速度，从而在所述致动器上保持大于预定最小应力的压缩应力。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括由弹簧机械地施加所述预载压缩应力。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述致动器包括压电元件。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述预载压缩应力大于或等于4MPa。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述预定最小应力至少为1MPa。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述致动器包括磁致伸缩元件。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述预载压缩应力在10MPa和14MPa之间。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述预定最小应力为至少5MPa。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述阀构件与所述阀座刚好接触之前的速度减小为小于每秒1米。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括限制所述阀构件的加速度与减速度，使得将所述致动器上的所述压缩应力保持为大于所述预定最小应力。
11.如权利要求1所述的方法，其中，在所述限制的步骤中的所述预定极限值预定为所述预定最小应力的函数，其中较高的预定最小应力允许较高的预定极限值。
12.如权利要求1所述的方法，包括将所述阀构件致动从所述打开位置到所述关闭位置的关闭距离，这是通过如下实现的：整形来自所述致动器驱动机构的信号，使得对于所述信号的在所述阀构件行进所述关闭距离的大部分时的第一部分来说，所述信号以按时间平均的第一速率改变幅值，所述第一速率高于在所述信号的第二部分过程中按时间平均的第二速率，当所述阀构件与所述阀座之间的接触恢复时结束。
13.如权利要求12所述的方法，其中，将所述信号整形为具有绘出的信号幅值相对于时间的关系的至少两个不同斜率，其中所述信号的所述第一部分具有比所述第二部分陡的斜率。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述信号在第一部分中具有恒定斜率。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述信号在第二部分中具有恒定斜率。
16.如权利要求12所述的方法，其中，将所述信号整形为具有至少三个不同的斜率，其中第一区段具有最陡的斜率，并且后面的斜率逐渐变小。
17.如权利要求12所述的方法，其中，所述信号整形为随着时间呈阶梯状，其中与所述第二部分中的连续阶梯相比，所述第一部分中的连续阶梯从一个阶梯到下一个阶梯的信号幅值变化更大。
18.如权利要求12所述的方法，其中，所述信号整形为采用连续的曲线，所述曲线具有过渡到较缓第二部分的较陡的第一部分。
19.如权利要求18所述的方法，其中，将所述信号整形为1/x的函数，其中x为时间。
20.如权利要求12所述的方法，进一步包括使用所述直接致动式阀来调节工艺流体的流动，当所述工艺流体在所述阀构件与所述阀座之间流动时处于气相状态。
21.如权利要求12所述的方法，进一步包括使用所述直接致动式阀来将燃料喷射到内燃机中。
22.如权利要求21所述的方法，其中，将所述燃料从所述直接致动式阀喷射到所述内燃机的燃烧室中。
23.如权利要求22所述的方法，进一步包括操作具有至少10∶1的压缩比的所述内燃机。
24.如权利要求22所述的方法，进一步包括操作具有至少14∶1的压缩比的所述内燃机。
25.如权利要求12所述的方法，其中，所述应变式致动器包括压电元件，并且所述致动器驱动机构控制施加于所述压电元件的电压，由此所述方法包括对所述致动器驱动机构进行编程以改变电压幅值。
26.如权利要求12所述的方法，其中，所述应变式致动器包括磁致伸缩构件，并且所述致动器驱动机构控制施加于电磁线圈的电流，以改变被引导通过所述磁致伸缩构件的磁场的强度，由此所述方法包括对所述致动器驱动机构进行编程以改变电流幅值。
27.如权利要求12所述的方法，其中，所述致动器包括压电元件。
28.如权利要求27所述的方法，其中，所述预载压缩应力为至少4MPa。
29.如权利要求27所述的方法，其中，所述预定最小应力大于或等于1MPa。
30.如权利要求12所述的方法，其中，所述致动器包括磁致伸缩元件。
31.如权利要求30所述的方法，其中，所述预载压缩应力在10MPa与14MPa之间。
32.如权利要求30所述的方法，其中，所述预定最小应力大于或等于5MPa。
33.如权利要求12所述的方法，进一步包括控制所述第一部分的持续时间小于0.1毫秒。
34.如权利要求12所述的方法，进一步包括控制所述第二部分的持续时间小于0.9毫秒。
35.如权利要求12所述的方法，进一步包括在所述信号的所述第一部分过程中将所述阀构件的加速度限制为小于预定值。
36.如权利要求35所述的方法，其中，将加速度的极限值确定为所述预定最小应力的函数。
37.如权利要求12所述的方法，进一步包括在从所述信号的所述第一部分过渡到所述信号的所述第二部分时，将所述阀构件的减速度限制为小于预定值。
38.如权利要求37所述的方法，其中，将减速度的极限值确定为所述预定最小应力的函数。
39.如权利要求12所述的方法，进一步包括将所述阀构件的绝对速度限制为小于预定速度。
40.如权利要求39所述的方法，其中，将绝对速度的极限值确定为所述预定最小应力的函数。
41.如权利要求12所述的方法，其中，在所述阀构件刚好靠近抵靠所述阀座之前，所述阀构件以小于或等于1.0m/s的速度移动。
42.如权利要求12所述的方法，进一步包括将在所述第二部分过程中流动通过所述直接致动式阀的流体质量流动速度限制为小于通过所述直接致动式阀的最大流体质量流动速度设计值的20％。
43.如权利要求1所述的方法，其中，所述将位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件的步骤进一步包括通过被动式液压连接件传递位移量。
44.如权利要求43所述的方法，其中，所述被动式液压连接件填充有为智能流体的液压流体，所述智能流体的粘性或流阻可控制成在不同时间具有不同的值，所述方法进一步包括将所述液压流体控制为当所述阀被致动并且打开时具有较高的粘性或流动阻力，而当所述阀关闭时具有较低的粘性或流动阻力。
45.一种直接致动式阀，包括：
阀体，所述阀体包括喷嘴端以及在所述阀体内的流体通道，所述流体通道用于将工艺流体从供应轨道传送到布置在所述喷嘴端内的喷嘴腔；
阀构件，所述阀构件设置在所述阀体内并且能够在关闭位置与打开位置之间移动，其中在所述关闭位置，当所述阀构件坐置抵靠与所述喷嘴端相关联的阀座时，阻止工艺流体从所述喷嘴腔流到至少一个喷嘴孔，并且在所述打开位置，当所述阀构件提升离开所述阀座时，工艺流体能够从所述喷嘴腔流过所述至少一个喷嘴孔；
预加载有压缩应力的应变式致动器，所述压缩应力保持大于预定最小应力，所述应变式致动器能够被激励，从而通过具有响应于致动器信号而变化的长度来产生线性位移量；
传输元件，所述传输元件将所述线性位移量从所述应变式致动器传递到所述阀构件；
致动器驱动机构，所述致动器驱动机构被编程为用以调节所述致动器信号，以使所述阀构件在所述打开位置与所述关闭位置之间移动，并将下述的至少之一限制为小于预定极限值：(a)所述阀构件在所述打开与所述关闭位置之间移动时的加速度和减速度，和(b)所述阀构件在与所述阀座刚好接触之前时的速度。
46.如权利要求45所述的直接致动式阀，其中，设置在所述阀体与所述应变式致动器之间的弹簧将所述压缩应力施加于所述应变式致动器。
47.如权利要求45所述的直接致动式阀，其中，所述传输元件包括被动式液压连接件。
48.如权利要求47所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件填充有为膨胀流体的液压流体。
49.如权利要求47所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件填充有为智能流体的液压流体，所述智能流体的粘性能够通过施加磁场而改变，并且所述直接致动式阀进一步包括用于产生所述磁场的电磁体。
50.如权利要求47所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件填充有为智能流体的液压流体，所述智能流体的流动阻抗能够通过施加电场而改变，并且所述直接致动式阀进一步包括用于产生所述电场的电路。
51.如权利要求47所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件包括设置在缸内的活塞以及至少一个设置成穿过所述活塞的孔，从而将所述活塞一侧的空间流体连接到所述活塞的相对侧。
52.如权利要求45所述的直接致动式阀，其中，所述预定极限值确定为所述预定最小应力的函数。
53.如权利要求45所述的直接致动式阀，其中，当在从所述打开位置之一到所述关闭位置的关闭运动中移动所述阀构件时，与接近所述关闭运动结尾时相比，所述致动器信号在所述关闭运动开始时以更高的速率改变幅值。
54.如权利要求53所述的直接致动式阀，进一步包括通过用于所述关闭运动的预定信号对所述致动器驱动机构进行编程，由此在所述关闭运动的第一部分过程中所述阀构件朝所述关闭位置加速运动，而在所述关闭运动的第二部分过程中所述阀构件减速运动，所述第一部分具有小于0.1毫秒的持续时间，所述第二部分具有小于0.9毫秒的持续时间。
55.如权利要求54所述的直接致动式阀，其中，预先确定结束所述第一部分以及开始所述第二部分的计时，以便将在所述第二部分过程中通过所述阀的工艺流体的质量流动速度限制为小于通过所述直接致动式阀的最大流体质量流动速度设计值的20％。
56.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，对所述致动器驱动机构进行编程，以便将所述阀构件的绝对速度限制为小于预定速度。
57.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，在所述阀构件刚好靠近抵靠所述阀座之前，所述阀构件以小于或等于1.0m/s的速度移动。
58.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，所述应变式致动器包括至少一个压电元件。
59.如权利要求58所述的直接致动式阀，其中，所述致动器预加载有至少4MPa的压缩应力。
60.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，所述应变式致动器包括靠近电磁线圈设置的磁致伸缩构件，由此当所述电磁线圈被激励时所述磁致伸缩构件暴露于磁场中。
61.如权利要求60所述的直接致动式阀，其中，所述致动器预加载有在10MPa和14MPa之间的压缩应力。
62.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，当所述工艺流体在所述阀构件与所述阀座之间流动时处于气相状态。
63.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，所述直接致动式阀为喷射阀，并且所述阀构件能够向内运动并离开所述喷嘴端以便打开，所述喷嘴端包括在下游的孔，从所述下游处，所述阀构件接触所述阀座，因此当所述阀构件被提升离开所述阀座时，所述工艺流体能够从所述孔喷出。
64.如权利要求63所述的直接致动式阀，其中，将所述喷嘴端成形为在所述喷嘴端中具有囊。
65.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，所述传输元件包括被动式液压连接件。
66.如权利要求65所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件填充有为膨胀流体的液压流体。
67.如权利要求65所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件填充有为智能流体的液压流体，所述智能流体的粘性能够通过施加磁场而改变，并且所述直接致动式阀进一步包括用于产生所述磁场的电磁体。
68.如权利要求65所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件填充有为智能流体的液压流体，所述智能流体的流动阻抗能够通过施加电场而改变，并且所述直接致动式阀进一步包括用于产生所述电场的电路。
69.如权利要求65所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件包括设置在缸内的活塞以及至少一个设置成穿过所述活塞的孔，从而将所述活塞一侧的空间流体连接到所述活塞的另一侧。
70.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，所述工艺流体为能够在内燃机中燃烧的燃料。
71.如权利要求70所述的直接致动式阀，其中，所述喷嘴端适于安装在所述内燃机的燃烧室中，由此能够将所述燃料直接喷射到所述燃烧室中。
72.如权利要求65所述的直接致动式阀，其中，所述被动式液压连接件包括设置在缸内的活塞，其中，液压流体布置在所述缸内位于所述活塞的相对侧，并且通过所述活塞与所述缸之间的间隙或通过穿过所述活塞的孔和流体通道来限制液压流体从所述活塞的一侧流到所述活塞的另一侧。
73.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，所述预定极限值确定为所述压缩应力的函数。
74.如权利要求53所述的直接致动式阀，其中，将所述预载施加于所述致动器的弹簧施加力，以便在与所述阀构件从打开位置移动到所述关闭位置时相同的方向上推动所述传输元件。
CN2008801165998A 2007-09-20 2008-09-19 带有应变式致动器的直接致动式阀以及这种阀的操作方法 Active CN101861487B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA2,600,323 2007-09-20
CA002600323A CA2600323C (en) 2007-09-20 2007-09-20 Directly actuated valve with a strain-type actuator and a method of operating same
PCT/CA2008/001659 WO2009036572A1 (en) 2007-09-20 2008-09-19 Directly actuated valve with a strain-type actuator and a method of operating same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101861487A CN101861487A (zh) 2010-10-13
CN101861487B true CN101861487B (zh) 2013-01-09

Family

ID=38830285

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008801165998A Active CN101861487B (zh) 2007-09-20 2008-09-19 带有应变式致动器的直接致动式阀以及这种阀的操作方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8413638B2 (zh)
EP (1) EP2201278A4 (zh)
JP (1) JP5377496B2 (zh)
CN (1) CN101861487B (zh)
CA (1) CA2600323C (zh)
WO (1) WO2009036572A1 (zh)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009003214A1 (de) * 2009-05-19 2010-11-25 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Kraftstoffeinspritzventils einer Brennkraftmaschine und Steuergerät für eine Brennkraftmaschine
WO2011096917A1 (en) * 2010-02-02 2011-08-11 Cooper Tire & Rubber Company Ferro fluid for inducing linear stress
DE102010001595B4 (de) * 2010-02-04 2012-05-16 Sumitomo (Shi) Demag Plastics Machinery Gmbh Spritzgießmaschine sowie hydraulische Antriebseinheit hierfür
DE102012214565B4 (de) * 2012-08-16 2015-04-02 Continental Automotive Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Einspritzventils
CA2809249C (en) 2013-03-15 2014-03-11 Westport Power Inc. Apparatus for controlling the lift of a valve member
JP2017510790A (ja) * 2013-12-19 2017-04-13 グレート プレインズ ディーゼル テクノロジーズ，エル．シー． 高速磁歪アクチュエータによる燃料圧力検出
DE102015213216A1 (de) 2015-07-15 2017-01-19 Robert Bosch Gmbh Ventil zum Zumessen eines Fluids
JP6739786B2 (ja) * 2016-05-30 2020-08-12 武蔵エンジニアリング株式会社 液体材料吐出装置、その塗布装置および塗布方法
JP6842152B2 (ja) * 2016-05-31 2021-03-17 武蔵エンジニアリング株式会社 液体材料吐出装置、その塗布装置および塗布方法
US11168628B2 (en) 2017-03-03 2021-11-09 Mazda Motor Corporation Engine control device
CN109698598A (zh) * 2017-10-24 2019-04-30 博格华纳公司 用于机电致动器系统的推杆及其制造方法
US10641668B2 (en) * 2018-01-23 2020-05-05 Dresser, Llc Measuring deformation of a compression spring to monitor performance of a safety valve
DE102018001048A1 (de) * 2018-02-09 2019-08-14 Atlas Copco Ias Gmbh Dosierventil
JP7184334B2 (ja) * 2018-12-14 2022-12-06 有限会社メカノトランスフォーマ 弁制御装置、駆動制御装置及び流体制御装置
CN115151816A (zh) * 2019-11-27 2022-10-04 沃特世科技公司 梯度比例阀
CN113720843B (zh) * 2021-08-31 2023-06-23 北京理工大学 测量高速气液两相射流内部混合特性的装置、系统及方法
CN114396507A (zh) * 2022-01-14 2022-04-26 重庆川仪调节阀有限公司 一种利用磁流体进行填料堵漏的装置及方法
CN114602733B (zh) * 2022-03-01 2022-08-30 深圳市腾盛精密装备股份有限公司 点胶装置及其点胶方法
CN116586248B (zh) * 2023-06-01 2023-10-20 河北初光汽车部件有限公司 一种线束打胶机

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1379846A (zh) * 1999-10-15 2002-11-13 韦斯特波特研究公司 直接致动的喷射阀

Family Cites Families (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE8306433L (sv) * 1983-11-22 1985-05-23 Kockums Ab Styranordning for noggrann styrning av ventiler
DE3533085A1 (de) * 1985-09-17 1987-03-26 Bosch Gmbh Robert Zumessventil zur dosierung von fluessigkeiten oder gasen
DE4035653A1 (de) * 1990-11-09 1992-05-14 Daimler Benz Ag Antriebs-schlupf-regeleinrichtung
US5605134A (en) 1995-04-13 1997-02-25 Martin; Tiby M. High pressure electronic common rail fuel injector and method of controlling a fuel injection event
US5752659A (en) 1996-05-07 1998-05-19 Caterpillar Inc. Direct operated velocity controlled nozzle valve for a fluid injector
DE19921456A1 (de) * 1999-05-08 2000-11-16 Bosch Gmbh Robert Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Aktors
JP4120113B2 (ja) * 1999-08-31 2008-07-16 株式会社デンソー 燃料噴射装置
DE19946828C1 (de) 1999-09-30 2001-07-12 Bosch Gmbh Robert Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
US6584958B2 (en) * 1999-10-15 2003-07-01 Westport Research Inc. Directly actuated injection valve with a ferromagnetic needle
US6575138B2 (en) * 1999-10-15 2003-06-10 Westport Research Inc. Directly actuated injection valve
US6564777B2 (en) * 1999-10-15 2003-05-20 Westport Research Inc. Directly actuated injection valve with a composite needle
DE19950760A1 (de) 1999-10-21 2001-04-26 Bosch Gmbh Robert Brennstoffeinspritzventil
US6570474B2 (en) 2000-02-22 2003-05-27 Siemens Automotive Corporation Magnetostrictive electronic valve timing actuator
DE10039418A1 (de) * 2000-08-11 2002-02-28 Siemens Ag Verfahren zum Steuren einer Düsennadel einer Dosiervorrichtung
JP4273676B2 (ja) * 2001-04-19 2009-06-03 株式会社デンソー 燃料噴射弁
DE50312340D1 (de) 2002-04-22 2010-03-04 Continental Automotive Gmbh Dosiervorrichtung für fluide, insbesondere kraftfahrzeug-einspritzventil
US6739575B2 (en) 2002-06-06 2004-05-25 Caterpillar Inc Piezoelectric valve system
DE10226649A1 (de) 2002-06-14 2004-01-08 Siemens Ag Dosiervorrichtung für Fluide, insbesondere Kraftfahrzeug-Einspritzventil
DE10229418A1 (de) 2002-06-29 2004-01-29 Robert Bosch Gmbh Einrichtung zur Dämpfung des Nadelhubes an Kraftstoffinjektoren
DE10237408A1 (de) * 2002-08-16 2004-02-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine
DE102004015622A1 (de) * 2003-10-21 2005-06-02 Robert Bosch Gmbh Brennstoffeinspritzventil
JP2005307936A (ja) * 2004-04-26 2005-11-04 Isuzu Motors Ltd 膨張差吸収機構及びそれを備えた燃料噴射弁
US6978770B2 (en) 2004-05-12 2005-12-27 Cummins Inc. Piezoelectric fuel injection system with rate shape control and method of controlling same
US7255290B2 (en) * 2004-06-14 2007-08-14 Charles B. Bright Very high speed rate shaping fuel injector
JP2006144733A (ja) * 2004-11-24 2006-06-08 Toyota Motor Corp 弁バウンス防止装置付き燃料噴射弁
DE102005036444A1 (de) * 2005-08-03 2007-02-08 Robert Bosch Gmbh Einspritzdüse
DE102005042786B4 (de) * 2005-09-08 2009-04-16 Siemens Ag Kraftstoffinjektor mit hermetisch abgedichtetem Hydrauliksystem
JP4476950B2 (ja) * 2006-02-28 2010-06-09 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料噴射制御装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1379846A (zh) * 1999-10-15 2002-11-13 韦斯特波特研究公司 直接致动的喷射阀

Also Published As

Publication number Publication date
CA2600323A1 (en) 2007-12-16
US8413638B2 (en) 2013-04-09
US20100219360A1 (en) 2010-09-02
CA2600323C (en) 2009-12-29
JP2010539379A (ja) 2010-12-16
WO2009036572A1 (en) 2009-03-26
JP5377496B2 (ja) 2013-12-25
EP2201278A4 (en) 2011-08-17
CN101861487A (zh) 2010-10-13
EP2201278A1 (en) 2010-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101861487B (zh) 带有应变式致动器的直接致动式阀以及这种阀的操作方法
CN100432419C (zh) 直接致动的喷射阀
EP1389274B1 (en) Directly actuated injection valve
CN100507254C (zh) 喷射气态燃料的阀装置和方法及弹性体在阀装置中的应用
US6584958B2 (en) Directly actuated injection valve with a ferromagnetic needle
US6035532A (en) Groove means in a fuel injector valve seat
CN86102235A (zh) 具有同轴布置的两个阀的高压流体控制电磁阀装置
EP1389276B1 (en) Directly actuated injection valve with a composite needle
CN1723345A (zh) 燃料喷射器
US6955114B2 (en) Three way valve and electro-hydraulic actuator using same
JP6639820B2 (ja) 油圧式制動装置を伴う電磁燃料噴射器
WO2004007084A1 (en) Fuel injector control module with undirectional dampening
CN101446254A (zh) 带有液压阻尼的燃料喷射器
CN105221296A (zh) 用于吹入气体燃料的气体喷射器
EP1473460A1 (en) Directly actuated injection valve
JP2001214835A (ja) 燃料噴射弁およびこれを搭載する内燃機関

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant