CN102084118B - 燃料喷射器及其装配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料喷射器(200)以及一种装配方法，该装配方法包括确定通过形成在喷射器(200)的各个部件内的间隙(282)或开口的各个流通面积。各个流通面积确定之后，各个部件可根据它们的流通面积进行分类，使得可选择具有燃料喷射器(200)的装配所期望的流通面积特性的部件组。

Description

燃料喷射器及其装配方法
技术领域
本发明总体上涉及用于内燃机的燃料喷射器，更具体地涉及同高压共轨燃料系统一起使用的燃料喷射器。
背景技术
燃料喷射器用于向内燃机的燃烧室内喷射受控量的燃料。典型的燃料喷射器包括容纳有一个或多个致动器的体部或壳体，所述致动器布置成使阀运行，所述阀使处于高压下的燃料从喷射器喷出并进入发动机。更具体地，典型的喷射器壳体形成有针阀腔，该针阀腔设置在喷射器的远端并在“喷嘴”处终止。对于直接喷射发动机，喷嘴一般至少部分地伸入发动机的燃烧室内。喷嘴形成多个喷嘴开口，所述喷嘴开口构造成将来自针阀腔的加压燃料喷射或雾化进入燃烧室。
燃料经过喷嘴开口的流动由针阀或止回阀控制，所述针阀或止回阀设置成在针阀腔内往复运动。典型的针阀可被选择性地致动以在期望的时刻和在期望的持续时间内从针阀腔供给燃料。喷射活动或针阀致动的时机可取决于诸如发动机的运行速度之类的因素。每次喷射的持续时间通常至少部分地取决于发动机的每个燃烧冲程所期望的燃料量，或者换个方式陈述，其取决于发动机的输出功率。
随着更苛刻的排放要求以及更大的燃料消耗，燃料喷射器需要在更高的喷射压力下运行并具有更高的精度。
发明内容
本发明公开了一种燃料喷射器及其装配方法。所述方法包括确定各个形成于喷射器部件内的间隙或开口的流通面积。基于喷射器部件各自的流通面积对喷射器部件进行分类，使得能够选择具有燃料喷射器的装配所期望的流通面积特性的部件组。因此，这里所公开的燃料喷射器的实施方式确定形成于不同部件上并对性能有影响的各种控制间隙和孔的特征从而便于对各种部件进行可分离的分类。
本发明一方面描述了一种用于装配燃料喷射器的方法。首先，确定包括布置在针阀导向件内的针阀的组件的间隙流通面积，并且基于间隙流通面积对该组件进行分类。接下来，确定形成有孔的板的孔流通面积，并且也基于孔流通面积对该板进行分类。基于组件的流通面积选择组件以与板的孔流通面积相配合并产生一组匹配的部件。选择各匹配的组的各自的流通面积，使得间隙面积与孔流通面积之比在预定的范围内。之后，使用该匹配的组构建燃料喷射器。
另一方面，本发明描述了一种燃料喷射器，该燃料喷射器包括具有三通二位阀(3-2阀)的壳体。该3-2阀具有当阀处于第一位置时流体连接至第二端口的第一端口，以及当阀处于第二位置时流体连接至第一端口的第三端口。针阀导向件形成一导向开口，该导向开口接收该针阀的导向部分，在两者之间限定出间隙。第二板形成有位于邻近针阀导向件的孔口，使得该孔口与所述导向开口对齐。第一板形成有与3-2阀的第一端口流体连通的第一孔。第一板叠置在第二板上并环绕浸湿针阀的关闭液压表面的控制腔。控制腔在关闭液压表面、第二板内的孔口以及第一板之间延伸，从而流体可通过所述第一孔和间隙进入该控制腔。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的燃料喷射器的截面图；
图2是图1所示的燃料喷射器的详细截面图；
图3是根据本发明的燃料喷射器的第二实施例的一部分的截面图；
图4是根据本发明的燃料喷射器的第三实施例的一部分的截面图；
图5是根据本发明的燃料喷射器的装配方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及在内燃机上使用的燃料喷射器。内燃机包括多个燃烧汽缸，所述燃烧气缸包括往复式活塞。往复式活塞循环地压缩空气和燃料的混合物，该空气和燃料的混合物的燃烧在膨胀冲程期间产生推动各活塞的能量。活塞随后在压缩冲程期间被推回到燃烧气缸内，并且在发动机的运行期间重复所述过程。活塞通过连杆连接至曲轴，活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。现代的发动机具有燃料喷射器，在发动机的运行期间，所述燃料喷射器在预定的时间将燃料直接喷入各燃烧气缸内。这种发动机还可包括向各喷射器提供加压燃料的燃料输送和/或加压系统。典型地，发动机的各燃烧气缸与各自的燃料喷射器相结合，所述燃料喷射器布置成向燃烧气缸内喷射燃料。
这里所描述的燃料喷射器的各种实施例是在适用于高压共轨(HPCR)燃料系统的燃料喷射器的情况下进行描述的，但可以认识到，所述的装置和方法在任何其它类型的燃料喷射器中具有广泛的实用性。例如，所公开的燃料喷射器可用于使用致动流体、燃料或油以增强被喷射的燃料的喷射压力的混合燃料系统。这里所描述的实施例是说明性的，而不应理解为限制性的。
图1示出了燃料喷射器100的第一实施例的截面图。燃料喷射器100的更详细的截面图在图2中示出。喷射器100总体上包括包含有三通二位(3-2)阀104的壳体或控制部分102、延伸部分106以及喷射部分108。控制部分102示出为设置在靠近喷射器100的顶部或第一远端101处。电气连接器(未示出)可将电控制信号传递给致动器或螺线管110，该致动器或螺线管操纵连接至提升阀114的芯部112。提升阀杆件116和芯部112布置成当螺线管110通电时沿轴向移动。连同提升阀114一起运行的提升阀杆件116使得当芯部112处于第一或未被致动位置时，3-2阀104的动作使第一端口118和第二端口120流体连接，如图2所示。提升阀杆件116和提升阀114用于通过将芯部112移动至第二或被致动位置而使第一端口118和第三端口122流体连接。
延伸部分106包括加压燃料入口接口124，该加压燃料入口接口布置成在运行期间与连接至共轨或贮存器(未示出)的导管(未示出)相连，所述共轨或贮存器容纳有高压或供给压力下的燃料。喷射部分108包括可与延伸部分106螺纹连接的锥形螺母126以形成内部排放廊道128。形成于锥形螺母126内的一个或多个排放开口130(示出两个)布置成使低压或返回压力下的燃料从喷射器100流出并进入燃料贮存器(未示出)。排放开口130经由在延伸部分106内形成的排放通道(未示出)流体连接至3-2阀104的第三端口122。
锥形螺母126还在其远端形成喷嘴开口132。基本上筒形的针阀壳体134形成从喷嘴开口132延伸的喷嘴部分136以限定喷射器100的第二远端133。针阀壳体134的弹簧腔部分138位于锥形螺母126的内部排放廊道128内。喷嘴136形成有多个喷嘴开口140，所述喷嘴开口布置成在运行期间向发动机(未示出)的燃烧室内喷射燃料。
在运行期间，从喷嘴开口140喷射的燃料处于供给压力下或接近供给压力并占据被限定在喷嘴部分136内部的针阀腔142。弹簧腔144被限定在弹簧腔部分138内并与针阀腔142流体连通。针阀腔142和弹簧腔138经由供给压力通道146与燃料入口接口124直接流体连通。弹簧腔144还与纵向供给压力通道148流体连通，该纵向供给压力通道自弹簧腔138延伸穿过延伸部分106，并延伸至3-2阀104的第二端口120。
具有阀座部分152和导向部分154的针阀150至少部分地容装在针阀壳体134内。针阀150的阀座部分152接触针阀壳体134的喷嘴部分136，使得当针阀150处于关闭或未被致动位置时，喷嘴开口140被与针阀腔142流体阻隔。弹簧156和垫圈158设置在围绕针阀150的一段导向部分154的弹簧腔144内。当针阀150处于关闭位置时，弹簧156可在形成于针阀150上的凸耳160和在锥形螺母126内邻接针阀壳体134的针阀导向件或针阀导块162之间被部分地压缩。针阀导块162形成有纵向导向开口164，该导向开口围绕针阀150的导向部分154并密封地但可滑动地与导向部分154接合。
形成有穿过其延伸的开孔168的第二板或隔板166叠置在导块162上，使得开孔168与纵向导向开口164对齐。可以认识到，隔板166形成有两个附加的通道开口169，通道开口169部分地限定各供给压力通道146和148。第一板或孔板170在锥形螺母126内叠置在隔板166上。孔板170也形成有两个通道开口174，通道开口174部分地限定各供给压力通道146和148。
控制腔176被横向上限定在隔板166的开孔168内。控制腔176在孔板170和关闭液压表面178之间沿轴向延伸，所述关闭液压表面178被限定在针阀150的与其阀座部分152相对的远端。控制腔176的容积随着针阀150在针阀壳体134内纵向地移动而变化。控制腔176经由形成在孔板170内的第二开口或孔或者供给压力开口或孔180与针阀腔142流体连通。第二孔180流体连接控制腔176与在供给压力下的燃料源--在此情况下为纵向供给压力通道148。在运行期间，控制腔176设置成经由第二孔180接收处于供给压力下的燃料。在一些实施例中，限定在针阀150的导向部分154和针阀导块162的导向开口164之间的间隙182还可例如从针阀腔142向控制腔176供给处于供给压力下的燃料。间隙182可进一步在针阀150的导向部分154和隔板166的开孔168之间延伸，从而为流体在其间通过并进入控制腔176提供了流通路径。
第一开口或孔或者返回压力开口或孔184形成于孔板170内并且布置成经由延伸穿过延伸部分106的连通通道(未示出)流体连接3-2阀104的第一端口118与控制腔176。通过3-2阀104的动作，第一孔184布置成当3-2阀104未被致动并且第一端口118被连接至第二端口120时向控制腔176供给处于供给压力下的燃料。类似地，3-2阀104的致动通过使3-2阀104的第一端口118和第三端口122流体连接而使控制腔176与返回或排放压力流体连接。在此实施例中，当3-2阀104被致动时燃料从控制腔176排出。
在燃料喷射器100的运行期间，使处于供给压力(例如压力为190MPa或更高)下的燃料进入针阀腔142。当3-2阀104不起作用时，控制腔176填充有处于供给压力下的燃料，该燃料通过第二孔180、第一孔184和间隙182与控制腔176连通。在此状态下，燃料喷射器100不从开口140喷射燃料，因为针阀150被推至落座(seated)或关闭位置。弹簧156的压紧向关闭位置推动针阀150，并且由燃料施加在阀座部分152和针阀的液压关闭表面178上的液压产生偏压力以关闭针阀150。
当3-2阀104被致动并且第一孔184与返回压力相连接时，控制腔176内的压力下降至返回压力或大气压力。此控制腔176内的压力降卸除一部分作用在关闭液压表面178上的液压力从而使针阀150上的力偏压从关闭偏压反转为开启偏压。因此，针阀150移离其座部使得处于供给压力下的燃料通过开口140喷出喷射器100。从而，当3-2阀104被致动时针阀150的离座--有时被称为喷射开始活动--发生。
尽管处于供给压力下的燃料可经由第二孔180和间隙182进入控制腔176，在喷射活动开始后控制腔176内的压力保持在供给压力以下。通过适当地设定第一孔184的尺寸以提供大于第二孔180和间隙182的流通面积之和的流通面积，来实现将控制腔176内的压力保持在供给压力以下。例如，第一孔184的流通面积与第二孔180和间隙182的流通面积之和的比值大于1并可介于大约1.01和1.50之间。可以认识到，间隙182对第二孔180的流通面积的贡献可以忽略。在这种情况下，间隙182的流通面积可认为是零或者与第一孔184和第二孔180的流通面积相比可以忽略。
当期望喷射活动终止时，经由使螺线管断电的电控信号使3-2阀104去除致动。这相应地使第一孔184连接至供给压力。随着第一孔184将控制腔176暴露于供给压力中，控制腔176内的压力增加并恢复施加在关闭液压表面178上的液压力成分以向针阀150的关闭位置推动该针阀。当关闭针阀150时，用于填充控制腔176的孔和间隙的流通面积的相应减小形成了缓冲效应，因而避免了针阀150急速地落座于或撞击针阀壳体236。
图3示出了燃料喷射器200的第二实施例的详细截面图。对于第二实施例，为了简化，其与第一实施例相同的或相似的元件用具有“2”作为第一个数字而各相应的元件的后两位数字相同的参考标记表示。在第二个实施例中，锥形螺母226包封针阀壳体236、针阀250、导块262、第二板266和第一板270。针阀壳体236包封与供给压力通道246流体连通的针阀腔242。该供给压力通道流体连接至容纳有处于供给压力下的燃料的贮存器(未示出)，并且经由延伸穿过延伸部分206的纵向供给压力通道248流体连接至3-2阀(未示出)的第二端口。弹簧256和垫圈258位于弹簧腔244内并向形成于针阀250上的凸耳260施加关闭弹簧力。
喷射器200的运行在如下方面类似于结合第一实施例描述的喷射器的运行，当喷射器200未进行喷射活动时，控制腔276产生跨越针阀250两端的朝向关闭方向的偏压力。当期望进行喷射时，第一孔284流体连接至返回压力或大气压力，从而在控制腔276内产生压力降。所述压力降改变施加在针阀250上的液压力偏压，从而允许针阀向开启方向移动。当喷射活动终止时，控制腔276内恢复供给压力以向关闭方向推动针阀250。
第二实施例的喷射器200与第一实施例的喷射器100相比结构上的差别在于在第二实施例的第一板270上不具有在第一实施例(见图1和图2)中用180表示的第二孔。第一板270不包括使控制腔276与供给压力源直接流体连接的孔。第一孔284通过3-2阀的运行使控制腔276同存在于针阀腔242内的供给压力间歇地连接。在第二实施例中，控制腔276与供给压力的流体连接通过燃料经由针阀250与导块262和/或隔板266之间的间隙282向控制腔276内泄漏来实现。
图4示出了燃料喷射器300的第三实施例的详细截面图。对于第三实施例，为了简化，其与第一和第二实施例相同的或相似的元件用具有“3”作为第一个数字而各相应的元件的后两位数字相同的参考标记表示。在第三实施例中，锥形螺母326包封针阀壳体336、针阀350、导块362、第二板366和第一板370。针阀壳体336限定了针阀腔342，该针阀腔与供给压力通道346流体连通，所述供给压力通道流体连接至容纳有处于供给压力下的燃料的贮存器(未示出)，并且经由延伸穿过延伸部分306的纵向供给压力通道348流体连接至3-2阀(未示出)的第二端口，如上所述。弹簧356和垫圈358位于弹簧腔344内并向形成于针阀350上的凸耳360施加关闭弹簧力。
喷射器300的运行类似于分别结合第一和第二实施例所描述的喷射器100和200的运行。当喷射器300未被致动时，控制腔376产生具有跨越针阀350两端的关闭偏压的平衡力。当期望进行喷射时，形成于第一板370内的控制孔或第一孔384流体连接至低压或返回压力或排放压力，从而在控制腔376内产生压力降。控制腔376内的压力降使偏压力反转并允许针阀350朝向开启方向移动。当期望喷射终止时，控制腔376内恢复供给压力。恢复的供给压力使施加在针阀350上的偏压力反转，使得控制腔376内的压力将针阀350的关闭液压表面378推至关闭位置。
第三实施例的喷射器300与第一实施例的喷射器相比结构上的一个不同之处在于第二孔380(也称为平衡孔)形成于第二板366内而不是第一板370内。第二孔380使控制腔376流体连接至通道346内处于供给压力下的燃料。第一板370不具有使控制腔376与针阀腔342流体连接的孔。替代地，形成于第二板366上的第一孔384通过3-2阀(这里未示出)间歇地使控制腔376与供给压力连接。如在第一实施例中，控制腔376与针阀腔342的连接部分地通过燃料经由针阀350和导块362之间的间隙382向控制腔376内的泄露和部分地通过第二孔380来实现。可以认识到，在此实施例中，间隙382的流通面积(有时也称为喷嘴回漏)可大约为零或可忽略。这里所使用的可忽略的情况可意味着间隙380的流通面积与第二孔380的流通面积相比很小或小大约15％。
工业实用性
本发明应用于同内燃机一起使用的燃料喷射器。这里所公开的燃料喷射器包括针阀，所述针阀控制燃料向发动机内喷射的时机和流量。在喷射开始和终止活动期间，针阀的移动和加速至少部分地取决于在运行期间燃料进出控制腔的流动。此流体的流动取决于形成于各个板内的孔的各自的流通面积以及针阀和导向件之间的间隙，所述导向件连接控制腔与处于供给压力下的流体源以及3-2阀的各个端口。更具体地，在三个实施例中，进出控制腔的流体流动通过第二孔180或380(当存在时)、间隙182、282或382以及第一孔184、284和384实现。喷射器的性能可取决于第一孔的流通面积以及针阀和具有第二孔(当存在时)的导向件之间的间隙的流通面积之和的比值。如果允许此比值由于在通常的制造工艺中形成的尺寸公差而改变，则喷射器性能的变化在一样本总体内可改变几乎10％，或者在大约190MPa的供给压力下每次喷射活动改变多达2立方毫米的燃料。因此，期望超出制造者通常的能力的对某些尺寸进行更精密的尺寸控制，但是这种更小的公差通常导致制造工艺的成本和废品率增加。
可通过对包括一个或多个构成各喷射器的个别部件的流量测试以确定它们各自的流通面积并据此对各部件进行分类来有利地改善燃料喷射器的制造工艺。然后被分类的部件可分别地进行挑选并进行组合或与其它相配的部件相匹配。当装配在一起时这些部件的组合将在最终的喷射器组件中产生期望的流通面积比。可通过将各种孔和/或间隙结合入具有平坦表面的喷射器部件内以使得能够在进行流动测试时围绕各孔密封，来使喷射器部件的流动测试更便利。
图5示出了具有已知的与喷射器的控制腔连通的流通面积比的喷射器的装配方法的流程图。尽管燃料喷射器的制造工艺包括许多工序，但这里为了简化，仅介绍包括部件的流动测试在内的与改进典型的制造工艺相关的工序。为了以示例的方式进行说明，这里所介绍的方法针对燃料喷射器的第三实施例进行描述，但可以认识到本方法对根据第一和第二实施例或者其等价实施方式的喷射器的实用性。
燃料喷射器的装配工艺的一部分包括制造形成有第二孔的第二板，例如，形成有第二孔380的第二板366。在502中，将第二板通过适当的固定件连接至流动测试机构，该流动测试机构能够使流体在预定压力下流过所述孔以测量该第二孔的等效流通面积。在504中，操作流动测试机构以确定第二孔的流通面积。在流动测试之后，取决于流通孔的流通面积的测量，可在506中基于第二孔的流通面积对第二板进行分类。
以类似的方式，可制造形成有第一孔的第一板，例如针对第三实施例所描述的形成有第一孔384的第一板370。在508中，可将第一板通过固定件连接至流动测试机构。在510中可操作流动测试机构以确定第一孔的流通面积，并且在512中基于第一孔的流通面积对第一板进行分类。
类似地，可将针阀部分地装入形成在导块内的开口以产生针阀和导向件组件。所述针阀可例如是针对第三实施例所描述的针阀350，而导向件可以是针对第三实施例所描述的导块362。可在514中将该针阀和导向件组件适当地装入流动测试机构，该流动测试机构能够产生跨越针阀和导向件开口之间的间隙的两端的压力差，使得可以计算其间的等效流通面积。可在516中操作流动测试机构以确定流过所述间隙的等效流通面积，并且在518中基于计算的流通面积对针阀和导向件组件进行分类。可以认识到，可进行类似的工序来计算潜在地影响喷射器性能的其他部件的流通面积。类似地，当认为合适时可对较少的部件进行测试。
在已经对所有需要的部件进行流动测试和分类之后，可在520中选择部件组以形成用于装配成燃料喷射器的部件组或部件套件。各匹配的部件组可选择为使得如在其各自的流动测试中所测量的第一孔的流通面积的比值与第二孔的流通面积和/或针阀和导向件组件之间的间隙面积相匹配。有利地，通过选择之前已经根据它们各自的流通面积分类的部件，所选择的匹配的部件组之间可具有已知的和可控的比值使得可选择期望的流通面积比。在522中使用各匹配的组装配燃料喷射器，并且重复该工序。可认识到，这里列举的各个步骤是示例性的，并且可在多个制造阶段期间执行这些步骤。例如，各第一和第二板可在被运送至喷射器装配厂之前在供应商的工厂进行流动测试以进行分类。此外，对各部件或组件的各种分类可在为了获得最终喷射器组件中寻求的比值所能接受的公差的基础上进行。
可以认识到，前面的描述提供了所公开的系统和技术的示例。但是，可以设想本发明的其它实施方式可在细节上不同于前面的示例。所有对本发明或其实施例的参考目的是参考在那点上所讨论的具体示例，而不是意图对本发明更宽的范围进行任何限制。所有关于某些特征的区别和轻视的语言目的是说明这些特征并非优选的，而不是将这些特征从本发明的范围中完全排除，除非另有说明。
这里对数值范围的叙述仅用作逐个参照在该范围内的各独立数值的简略方法，除非这里另有说明，并且各独立的数值被结合到本说明书中，就好像其被在这里逐个叙述。这里所描述的所有方法可在任何适合的顺序下执行，除非这里另有说明或者由上下文明确地否定。
因此，本发明包括所有由适用法律许可的所附权利要求中所叙述的主题的改进和等价方式。此外，上述组成部分在所有可行的变型中的任何结合也包括在本发明中，除非这里另有说明或者由上下文明确地否定。

Claims (6)

1.用于装配燃料喷射器(200)的方法，包括：
确定间隙(282)的间隙流通面积，所述间隙布置在组件内的针阀(250)和针阀导向件(262)之间；
基于所述间隙(282)流通面积对所述组件进行分类；
确定形成有孔(284)的板(270)的孔流通面积；
基于所述孔(284)流通面积对所述板(270)进行分类；
基于所述分类来匹配所述组件与所述板(270)以产生匹配组的部件，使得所述组件的所述间隙(282)流通面积与所述板(270)的所述孔(284)流通面积的比值在预定的范围内；和
装配所述燃料喷射器(200)，该燃料喷射器包括属于所述匹配组的所述组件和所述板(270)。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
通过对形成有附加孔(380)的附加板(366)进行流动测试来确定附加孔(380)流通面积；
基于所述附加孔(380)流通面积对所述附加板(366)进行分类；
其中，所述匹配组的部件还包括所述附加板(366)，以及
其中，所述孔(384)流通面积与所述间隙(382)流通面积和所述附加孔(380)流通面积之和的比值在所述预定范围内。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述板(170)内形成有附加孔(180)，所述方法还包括确定附加孔(180)流通面积，其中，所述匹配组的部件的所述孔(184)流通面积与所述间隙(182)流通面积和所述附加孔(180)流通面积之和的比值在预定范围内。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述预定范围为介于1.01和1.50之间。
5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述间隙(382)流通面积与所述孔(384)流通面积和所述附加孔(380)流通面积相比可以忽略。
6.如权利要求2所述的方法，还包括：
确定多个附加孔(380)流通面积，各附加孔(380)流通面积分别限定在多个附加孔(380)开口中的一个内，各所述附加孔开口分别形成在多个附加板(366)中的一个内；
基于各所述附加板所确定的附加孔(380)流通面积对所述多个附加板(366)中的每一个进行分类；
其中，所述匹配组还包括从所述多个附加板(366)所选择的附加板(366)。
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