CN102444519A - 具有截头圆锥形导向段的针阀构件以及使用该构件的燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃料喷射器，包括具有限定了至少一个喷嘴出口的末端部件的喷射器主体。针阀构件布置在喷射器主体中并且包括布置在截头圆锥形孔中以将针阀控制腔与喷嘴腔分隔开的截头圆锥形段。针阀构件包括承受喷嘴腔中的流体压力的打开液压表面和承受针阀控制腔中的流体压力的关闭液压表面。截头圆锥形孔与截头圆锥形段具有朝着喷射器末端部的方向渐缩的锥形。相对于具有圆柱形针阀导向特征的对应的喷射器，截头圆锥形特征易于减慢喷嘴出口的初始打开，并且加速它们的关闭。

Description

具有截头圆锥形导向段的针阀构件以及使用该构件的燃料喷射器

技术领域

本发明总体上涉及燃料喷射器，并且更特别地涉及一种包括截头圆锥形导向段的用于燃料喷射器的针阀构件。

背景技术

几乎所有的燃料喷射器都包括限定了一个或多个喷嘴出口的喷射器主体，并且包括在打开和关闭喷嘴出口的位置之间移动的针阀构件。典型地，针阀构件经由在针阀构件的圆柱形导向段与布置在燃料喷射器主体内的圆柱形导向孔之间的较紧密的直径间隙在燃料喷射器内部受引导。针阀构件包括承受喷嘴腔中的流体压力的打开液压表面，并且使用弹簧将针阀构件向下偏压向关闭位置。在一些燃料喷射器中，针阀构件包括承受针阀控制腔中的流体压力的关闭液压表面。在这些情况下，为了改变针阀构件的关闭液压表面上的压力以有助于针阀构件为喷射动作的运动，电子控制阀被移动而流体地连接和断开针阀控制腔与低压通道。可以把这些燃料喷射器看作包括直接操纵的止回装置。

这些年来，工程师继续寻找以减少包括但不限于NOx，颗粒物质以及未燃碳氢化合物这些不受欢迎的排放物的产生的方式喷射燃料至压燃式发动机的燃烧室的方法。通常，通过以使针阀构件以比向关闭位置移动慢的速率向打开位置提升的方式操作燃料喷射器而改进这些目标。因此，通常优选喷嘴出口的快速闭合，并且喷嘴出口的较慢地打开有好处。在这点上，已经作出了许多努力以对控制方面进行改进，包括对电致动器、它们的相关阀的改变和改良，增加孔口以改变压力变化率，改变液压零件的面积比以及为了不断努力地寻找性能的逐渐增长的改进进行的更多的考虑。然而，容易实施的改进仍然有问题且难于想到。

本发明针对上述一个或多个问题。

发明内容

在一方面，一种燃料喷射器包括喷射器主体，其具有限定了至少一个喷嘴出口的末端部件/针尖部件，并且具有布置在其中的针阀控制腔，该针阀控制腔通过朝着末端部件的方向向内渐缩的截头圆锥形孔与喷嘴腔分隔开。针阀构件布置在喷射器主体中，并且包括承受喷嘴腔中的流体压力的打开液压表面和承受针阀控制腔中的流体压力的关闭液压表面。针阀构件能够在喷嘴出口与喷嘴腔阻断的第一位置与喷嘴出口向喷嘴腔开放的第二位置之间移动。针阀构件的截头圆锥形段布置在截头圆锥形孔中并且具有朝着末端部件的方向渐缩的锥形。

燃料喷射器的喷射动作通过减小关闭液压表面上的压力使针阀构件从关闭位置向打开位置移动而开始。喷射动作的结束通过增加关闭液压表面上的压力使针阀构件从打开位置向关闭位置移动而启动。

在另一方面，用于燃料喷射器的针阀构件包括位于关闭液压表面与末端/针尖之间的截头圆锥形段。截头圆锥形段朝着末端/针尖方向渐缩。扩大弹簧座肩部位于末端与截头圆锥形段之间。环形阀表面位于末端与扩大弹簧座肩部之间。打开液压表面位于环形阀表面与截头圆锥形段之间。

附图说明

图1根据本发明的燃料喷射器的正视截面示意图；

图2是图1的燃料喷射器的针阀构件和相关部件的局部放大截面示图；以及

图3是将图1的燃料喷射器与具有圆柱形导向特征的对应燃料喷射器相比较的喷射动作的一系列曲线图，包括喷射动作的电致动器电流(A)、控制阀动作(B)、排出流体速率(C)、喷射速率(D)、针阀构件动作(E)以及袋状凹部压力(F)相对时间的曲线。

具体实施方式

参照图1和图2，燃料喷射器10包括限定了喷嘴出口12、共轨入口13以及排出口18的喷射器主体11。燃料喷射器10包括直接操纵的止回装置，其运动由容纳在喷射器主体11中的电子控制阀15控制。尽管本发明是以电子控制的共轨燃料喷射器10的情况进行说明，但本领域技术人员将会理解本发明适用于所有的燃料喷射器管路，从简单的机械控制泵和管路喷嘴组件至最复杂的用于共轨系统、凸轮制动系统以及混合系统的电子控制的燃料喷射器。

喷射器主体11包括由壳体34夹持在一起的末端部件/针尖部件30、垫片31、高压安全衬套32以及导向部件33。末端部件30限定了喷嘴出口12。末端部件30、垫片31、压力安全衬套32和导向部件33一起限定了喷嘴腔21，该喷嘴腔21通过喷嘴供给通道28与共轨入口13流体连通。共轨入口13包括用于接收惯用的球形端套筒(未示出)的锥形座26，以便于与共轨(未示出)流体连通。

针阀构件40布置在喷射器主体11中，并且在所示的关闭位置与向上打开位置之间可移动。当在关闭位置时，环形阀表面49与阀座38相接触以阻止喷嘴腔21与袋状凹部29之间的流体连通。开放式打开液压表面41设置在环形阀表面49与截头圆锥形段43之间。在示出的实施例中，开放式打开液压表面41部分与环形阀表面49邻接并且部分位于直径逐渐等于小直径端部46的位置处。扩大弹簧座48可以布置设置在末端/针尖47与截头圆锥形段43之间。环形阀表面49布置在末端47与扩大弹簧肩部48之间。扩大导向部分44布置在环形阀表面49与扩大弹簧座肩部48之间。如图2所示，喷嘴出口12从袋状凹部29延伸至燃料喷射器的外表面以便于燃料喷射到发动机的燃烧室中。当针阀构件40在其向上打开位置时，环形阀表面49移动而脱离出与底阀座38的接触。通常，针阀构件40被压缩在导向部件33与环形弹簧座肩部48之间的弹簧60向下偏压向其关闭位置，该弹簧60被压缩在导向部件33与环形弹簧座肩部48之间。为了以公知的方式设定弹簧60的预加负载，可以以公知的方式包括预加载的垫圈61。针阀构件41包括承受喷嘴腔21中的流体压力的开放式打开液压表面41，其该喷嘴腔21在喷射动作期间以及喷射动作之间总是流体地连接到共轨入口13。针阀构件40可以包括扩大导向部分44，该扩大导向部分44与末端部件30的导向壁35相配合的扩大导向部分44从而如图2所示当向关闭位置移动时确保正确的落座。

如图2最佳地示出，喷嘴腔21被由导向部件33限定的截头圆锥形孔23与针阀控制腔20分隔开。针阀构件40的截头圆锥形段43接收在截头圆锥形孔23中。尽管截头圆锥形孔23与截头圆锥形段43都在针阀构件40的末端47的方向上成锥形，但各自的锥角可以不同。然而，在示出的实施例中，截头圆锥形状是匹配的，从而在孔23的整个长度24上存在导向直径间隙25。在段43与孔23之间的直径间隙25足够小，从而针阀构件40与限定出孔23的壁的配合辅助引导针阀构件40的运动，尤其是如所示的当向其关闭位置向下运动时。

针阀控制腔20由导向段33、喷孔盘36(图1)以及针阀构件40的关闭液压表面22限定出。如此，针阀构件40可以被认为是包括承受喷嘴腔21中的流体压力的打开液压表面41，以及承受针阀控制腔20中的流体压力的关闭液压表面42。针阀控制腔20中的压力通过电控制阀15的致动与去动而被控制。电控制阀15包括可以是可操作地与控制阀构件56连接的电致动器55，可以是螺线管或压电致动器。当电致动器55断电时，例如在喷射动作之间，控制阀构件56由弹簧向下推动以阻断针阀控制腔20与排出口18之间的低压通道流体连接。然而，应当注意，针阀控制腔20经由喷孔盘36限定的喷孔通道70总是流体地连接到喷嘴供给通道28。当电致动器55通电时，控制阀构件56向上移动并脱离与由第二喷孔盘37限定的平坦阀座的接触，从而打开与连接到排出口18的低压通道的流体连通。当这发生时，针阀控制腔20中的压力下降，允许针阀构件40向上移动至其打开位置以开始喷射动作。因此，电控制阀15可以被认为具有针阀控制腔20与连接到排出口18的低压通道流体阻断的第一形态，以及针阀控制腔20流体地连接到低压通道的第二形态。

本领域技术人员将意识到，与针阀构件40的运动相关的动作与关闭液压表面42的有效面积、针阀控制腔20中的压力、打开液压表面41的有效面积、喷嘴腔21中的压力以及来自弹簧60的偏压力密切地相关。在几乎所有的燃料喷射器中，针阀构件的运动通常由容纳在圆柱形孔中的圆柱形导向段进行引导，而不是如本发明的容纳在截头圆锥形孔中的截头圆锥形段。在本发明的所有情况中，针阀构件40的截头圆锥形段43包括大端直径45，其朝着末端47的方向向内渐缩直至小端直径46。有效的打开液压面积紧密地与小端直径d与阀座直径51之间的差值相关。在本发明的所有情况下，大端直径45大于小端直径46，小端直径46又大于阀座直径51。

稍小的锥度落入本发明的范围内。然而，能够预期随着截头圆锥形的锥角的增大，与本发明相关的好处变得更有问题，部分归因于针阀构件40的运动中新的故障型式的可能性以及当针阀构件40向其向上打开位置移动时在截头圆锥形段43与截头圆锥形孔23之间的直径间隙25增大的事实。随着锥角增大，直径间隙的增大变得更加严重。通常，在导向间隙25小，从而喷嘴腔21与针阀控制腔20之间经由直径间隙25的流体连通对针阀控制腔20内的压力变化的影响小的时候，能更好获得可预计及可重复的性能。当直径间隙25变大时，直径间隙中流体流动的潜在可能性变大，这可以促成对针阀控制腔20中的压力的不可预计且更少的控制。有了这些考虑，大端直径45可以比小端直径46大到百分之十五，但该差值优选地大于百分之五。截头圆锥形孔23的长度24大于较大直径45，但这不是必须的。本领域技术人员将意识到，较长的导向孔23易于帮助沿着直径间隙25流体地隔离针阀控制腔与喷嘴腔。

这些年来，工程师已经观察到，通常，当针阀构件从其关闭位置向其打开位置的运动比从打开位置向关闭位置的反向运动慢时，从燃烧过程中可以获得较低的不需要的排放物。同样，通常，最好的结果经常与针阀构件从其打开位置向其关闭位置的非常快的运动相关，但又通常，与向着喷射动作的开始的喷射率更平缓增加相关的较慢的打开速率也是需要的。相对于包括典型的接收在圆柱形孔中的圆柱形导向段的与燃料喷射器等同的对应物，针阀构件40的段43的截头圆锥形状与截头圆锥形孔23一起可以易于改进这两个特征。相对于具有圆柱形特征的对应的燃料喷射器，在本发明的截头圆锥形特征的情况下，该改进可归因于净开放液压力更小，并且相对于具有圆柱形特征的对应的燃料喷射器，在本发明的情况下，净闭合液压力可以更大。最终结果是针阀构件的可能较慢打开以及更快速的关闭，相对于在用等同控制信号在相同压力下工作的具有圆柱形零件的等同燃料喷射器，这可以逐渐减少不受欢迎的排放物。另外，本发明的截头圆锥形零件可以提供机会以相对于其圆柱形特征对应物减少用于燃料喷射器的最低可控制的燃料喷射量。

工业实用性

本发明可应用于任何燃料喷射器中，但特别用于包括直接操纵的止回装置的燃料喷射器中。本领域技术人员将意识到，直接操纵的止回装置指的是燃料喷射器带有具有承受喷嘴腔中流体压力的打开液压表面和承受针阀控制腔中的流体压力的关闭液压表面的针阀构件，这些压力可以由电致动器以公知的方式控制。本发明的截头圆锥形策略在对针阀构件的段的形状及其相关导向孔的小改变的情况下获得燃料喷射器的性能的可能逐渐增长的改进。因此，在没有与全部重新设计相关的风险和不确定性的情况下，本发明提供了性能的小增量改进的可能性。

当燃料喷射器10工作时，每次喷射动作都通过减小关闭液压表面42上的压力使针阀构件40从所示的关闭位置向打开位置移动而开始。喷射动作通过增加关闭液压表面42上的压力使针阀构件从打开位置向关闭位置移动而结束。在连续的喷射动作之间，通过喷嘴供给通道28经由节流通道70与喷嘴腔21和针阀控制腔20的流体连接，喷嘴腔21和针阀控制腔20中的压力可以等于喷嘴供给通道28中的压力(共轨压力)。因此，在喷射动作之间喷嘴腔与针阀控制腔都流体地连接到共轨入口13。针阀构件在打开和关闭期间的运动由截头圆锥形段43与截头圆锥形孔23的配合以及扩大导向部分44与导向壁35之间的配合而进行引导。

现在参照图3的曲线图，比较根据本发明的燃料喷射器与其它同等燃料喷射器的喷射动作，除了该同等喷射器包括接收在圆柱形孔中的圆柱形导向段，而本发明教导了在截头圆锥形孔23中导向的截头圆锥形段43之外，二者相同。图3的曲线图采取针阀构件40具有从3.8毫米向下至3.5毫米的渐缩锥度，且具有约9毫米长的导向孔23。因此，根据本发明的截头圆锥形的渐缩锥度是人眼可能发现也可能发现不了的，并且仍然按照图3的曲线图在性能上有可测量的改进。曲线图(A)示出了通过用接通电流为电致动器15通电而开始喷射动作。当在电致动器15中建立磁通量时，如图3的曲线图(B)所示，控制阀构件56开始离开其落座的关闭位置向其打开位置移动。结果是当控制阀构件56向其打开位置移动时，从针阀控制腔20向排出口18的流体流动率从零向较高值变化。当这发生时，针阀控制腔20中的压力下降。当压力足够低时，如图3的曲线图(C)所示，作用在针阀构件上的净力(液压和弹簧)使得其从关闭位置向打开位置移动。如曲线图(D)所示，伴随的喷射率密切地与针阀构件的运动相匹配。这种情况中注意的是，如曲线图(E)所示，尽管控制信号是同样的，用于对照的燃料喷射器的针阀构件较快地移动至打开位置，而用于本发明的燃料喷射器10的针阀构件40则较慢地跟随其后。图3的曲线图(F)示出了在针阀构件40从其关闭位置向其打开位置移动之后，袋状凹部压力如所预料地迅速地增大。在控制阀构件56移动至其打开位置后，电致动器15上的电流跌至如曲线图(A)所示的保持水平。在此期间，如曲线图(D)所示，喷射动作开始。当到了喷射动作结束时，如曲线图(A)所示，电致动器55的电流停止，并且控制阀构件56从其打开位置向其关闭位置(曲线图B)的运动迅速地跟随上。应当注意，用于两个喷射器的电流(控制信号)与控制阀构件56的运动，以及针阀控制腔20中的压力追踪是相同的。然而，曲线图(E)示出了用于根据本发明的燃料喷射器10的针阀构件40向关闭位置移动得比如曲线图(E)所示的具有圆柱形特征的其对照物快。结果是如曲线图(D)所示的喷射动作更早和更快结束。因此，如果适当选择截头圆锥形状，图3的曲线图建议了如果燃料喷射动作持续时间下降，可以期待根据本发明的燃料喷射器在产生可靠的和可控制的短喷射动作的能力的逐渐增长的改进，该短喷射动作可能比可能的具有圆柱形特征的对应的燃料喷射器更短。因此，本发明提供了能够对实际燃料喷射器的稍微改变从而改进在喷射动作的开始和结束时的性能，并且最重要地是，使燃料喷射器的最小可控喷射量有逐渐增长的改进，这在任何喷射器规格中通常是关键性能参数。例如，最小可控制喷射量是指用某一控制信号喷射的有可接受差异的燃料量。可接受差异的最小量可能是10％。

应当理解，上述描述仅仅是示意性的，并且并不旨在以任何方式限制本发明的范围。因此，本领域技术人员将意识到，本发明的其它方面可以从研究附图、说明书以及所附权利要求中获得。

Claims (10)

1.一种燃料喷射器，包括：

喷射器主体，其具有限定了至少一个喷嘴出口的末端部件，并且具有布置在其中的针阀控制腔，该针阀控制腔通过朝所述末端部件的方向向内渐缩的截头圆锥形孔与喷嘴腔分隔开；

布置在所述喷射器主体中的针阀构件，该针阀构件包括承受所述喷嘴腔中的流体压力的打开液压表面和承受所述针阀控制腔中的流体压力的关闭液压表面，并且能够在所述喷嘴出口与所述喷嘴腔阻断的第一位置与所述喷嘴出口向所述喷嘴腔开放的第二位置之间移动；

所述针阀构件的截头圆锥形段布置在所述截头圆锥形孔中并且具有朝着所述末端部件的方向渐缩的锥形。

2.如权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，还包括电控制阀，该电控制阀具有所述针阀控制腔与低压通道流体阻断的第一形态，以及所述针阀控制腔流体地连接到所述低压通道的第二形态。

3.如权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述喷射器主体包括共轨入口，该共轨入口具有锥形座并且流体地连接到所述喷嘴腔。

4.如权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述截头圆锥形段包括比小端直径大百分之五至百分之十五的大端直径；

所述针阀构件的所述截头圆锥形段在所述截头圆锥形孔的整个长度上具有相对于喷射器主体的直径间隙。

5.一种操作燃料喷射器的方法，该燃料喷射器包括喷射器主体，该喷射器主体具有限定了至少一个喷嘴出口的末端部件，并且具有布置在该喷射器主体中的针阀控制腔，该针阀控制腔由朝所述末端的方向向内渐缩的截头圆锥形孔与喷嘴腔分隔开；针阀构件，其布置在所述喷射器主体中并且包括承受所述喷嘴腔中的流体压力的打开液压表面和承受所述针阀控制腔中的流体压力的关闭液压表面，并且能够在所述喷嘴出口与所述喷嘴腔阻断的第一位置与所述喷嘴出口向所述喷嘴腔开放的第二位置之间移动；所述针阀构件的截头圆锥形段，其布置在所述截头圆锥形孔内并且具有朝着所述末端部件的方向渐缩的锥形，该方法包括以下步骤：

通过减小所述关闭液压表面上的压力使所述针阀构件从关闭位置向打开位置移动而开始喷射动作；以及

通过增加所述关闭液压表面上的压力使所述针阀构件从所述打开位置向所述关闭位置移动而结束喷射动作。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在两个连续的喷射动作之间使所述喷嘴腔与所述针阀控制腔中的压力相等的步骤。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，减小所述关闭液压表面上的压力的步骤包括将所述针阀控制腔流体地连接到低压通道；

增加所述关闭液压表面上的压力的步骤包括将所述针阀控制腔与所述低压通道流体阻断；并且

在所述末端部件中引导所述针阀构件在导向壁上的运动。

8.一种用于燃料喷射器的针阀构件，包括：

位于关闭液压表面与末端之间的截头圆锥形段；

所述截头圆锥形段朝着所述末端的方向渐缩；

位于所述末端与所述截头圆锥形段之间的扩大弹簧座肩部；

位于所述末端与所述扩大弹簧座肩部之间的环形阀表面；以及

位于所述环形阀表面与所述截头圆锥形段之间的打开液压表面。

9.如权利要求8所述的针阀构件，其特征在于，包括位于所述环形阀表面与所述扩大弹簧座肩部之间的导向部分。

10.如权利要求9所述的针阀构件，其特征在于，所述截头圆锥形段包括比小端直径大百分之五至百分之十五的大端直径；并且

所述截头圆锥形段的长度大于所述大端直径。

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