CN102859176B - 适于大型发动机应用的集成式燃料喷射器点火器以及使用和制造的相关方法 - Google Patents

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Abstract

本文中公开了适用于具有相对较小直径的喷射端口的喷射器的实施例。根据一个实施例的喷射器包括具有与第二端部部分相对的第一端部部分的本体。第二端部部分构造成靠近燃烧室定位，第一端部部分构造成与燃烧室间隔开。喷射器还包括从第一端部部分至第二端部部分延伸通过本体的点火导体，以及沿着点火导体纵向地延伸并且包围点火导体的至少一部分的绝缘体。喷射器还包括沿着绝缘体从第一端部部分纵向地延伸至第二端部部分的阀。阀包括密封端部部分，阀能够沿着绝缘体在打开位置与关闭位置之间运动。喷射器还包括位于本体的第二端部部分处或邻近该第二端部部分的阀座。当阀位于打开位置时，密封端部部分与阀座间隔开，并且当阀位于关闭位置时，密封端部部分接触阀座的至少一部分。

Description

适于大型发动机应用的集成式燃料喷射器点火器以及使用和制造的相关方法
技术领域
以下公开大致涉及适于大型发动机应用及其他尺寸的发动机应用的用于在燃烧室中喷射和点燃各种燃料的集成式燃料喷射器和点火器。
背景技术
燃料喷射系统一般用于将燃料喷雾喷射到发动机的进气歧管或燃烧室内。自从1980年代末以来，燃料喷射系统已变成用于汽车发动机的主要燃料输送系统，已几乎完全取代了化油器。传统燃料喷射系统一般连接至加压燃料供给，用于这些燃料喷射系统中的燃料喷射器通常在相对于发动机的动力冲程的特定时间将加压燃料喷射或者以其他方式释放到燃烧室内。在许多发动机中，特别是在大型发动机中，燃料喷射器进入燃烧室所通过的孔或端口的尺寸是小的。该小的端口因此限制了可被用于从喷射器致动或者以其他方式喷射燃料的部件的尺寸。此外，这种发动机通常还具有拥挤的进气和排气阀组系机构，进一步限制了可用于这些燃料喷射器的部件的空间。
附图说明
图1是根据本公开的实施例构造的集成式喷射器/点火器(“喷射器”)的示意性截面侧视图。
图2A是根据本公开的另一个实施例构造的喷射器的局部分解的截面侧视图。
图2B是根据本公开的一个实施例构造的流量阀的截面侧视图。
图3A至图5A是根据本公开的另外的实施例构造的喷射器的一系列截面侧视图。
图5B是大致沿着图5A的线5B-5B截取的第一流动路径的截面侧视图，以及图5C是大致沿着图5A的线5C-5C截取的第二流动路径的截面侧视图。图5D是大致沿着图5A的线5B-5B截取的第一流动路径的可替代实施例的截面侧视图，以及图5E是大致沿着图5A的线5C-5C截取的第二流动路径的可替代实施例的截面侧视图。
图5F和5G是根据本公开的实施例构造的流量阀的侧视图。
图6是根据本公开的另外的实施例构造的喷射器的截面侧视图。
具体实施方式
本申请通过参引方式结合以下专利申请中的每一个的主题的全部内容：2010年7月21日提交的名称为“INTEGRATEDFUELINJECTORSANDIGNITERSANDASSOCIATEDMETHODSOFUSEANDMANUFACTURE”的美国专利申请No.12/841,170；2010年7月21日提交的名称为“FUELINJECTORACTUATORASSEMBLIESANDASSOCIATEDMETHODSOFUSEANDMANUFACTURE”的美国专利申请No.12/804,510；2010年7月21日提交的名称为“INTEGRATEDFUELINJECTORIGNITERSWITHCONDUCTIVECABLEASSEMBLIES”的美国专利申请No.12/841,146；2010年7月21日提交的名称为“SHAPINGAFUELCHARGEINACOMBUSTIONCHAMBERWITHMULTIPLEDRIVERSAND/ORIONIZATIONCONTROL”的美国专利申请No.12/841,149；2010年7月21日提交的名称为“CERAMICINSULATORANDMETHODSOFUSEANDMANUFACTURETHEREOF”的美国专利申请No.12/841,135；2010年7月21日提交的名称为“METHODANDSYSTEMOFTHERMOCHEMICALREGENERATIONTOPROVIDEOXYGENATEDFUEL，FOREXAMPLE，WITHFUEL-COOLEDFUELINJECTORS”的美国专利申请No.12/804,509；2010年7月21日提交的名称为“METHODSANDSYSTEMSFORREDUCINGTHEFORMATIONOFOXIDESOFNITROGENDURINGCOMBUSTIONINENGINES”的美国专利申请No.12/804,508；2009年10月19日提交的名称为“MULTIFUELSTORAGE，METERINGANDIGNITIONSYSTEM”的美国专利申请No.12/581,825；2009年12月7日提交的名称为“INTEGRATEDFUELINJECTORSANDIGNITERSANDASSOCIATEDMETHODSOFUSEANDMANUFACTURE”的美国专利申请No.12/653,085；2008年1月7日提交的名称为“MULTIFUELSTORAGE，METERINGANDIGNITIONSYSTEM”的美国专利申请No.12/006,774(现在为美国专利No.7,628,137)；2009年12月7日提交的名称为“INTEGRATEDFUELINJECTORSANDIGNITERSANDASSOCIATEDMETHODSOFUSEANDMANUFACTURE”的PCT申请No.PCT/US09/67044；2009年8月27日提交的名称为“OXYGENATEDFUELPRODUCTION”的美国临时申请No.61/237,425；2009年8月27日提交的名称为“MULTIFUELMULTIBURST”美国临时申请No.61/237,466；2009年8月27日提交的名称为“FULLSPECTRUMENERGY”的美国临时申请No.61/237,479；2010年2月13日提交的名称为“FULLSPECTRUMENERGYANDRESOURCEINDEPENDENCE”的美国临时申请No.61/304,403；以及2010年3月9日提交的名称为“SYSTEMANDMETHODFORPROVIDINGHIGHVOLTAGERFSHIELDING，FOREXAMPLE，FORUSEWITHAFUELINJECTOR”的美国临时申请No.61/312,100。本申请通过参引方式结合2010年10月27日与此同时提交的美国专利申请的主题的全部内容，这些专利申请的名称为：“ADAPTIVECONTROLSYSTEMFORFUELINJECTORSANDIGNITERS”(代理档案号No.69545-8059US)；和“FUELINJECTORSUITABLEFORINJECTINGAPLURALITYOFDIFFERENTFUELSINTOACOMBUSTIONCHAMBER”(代理档案号No.69545-8054US)。
A.概述
本公开描述了用于内燃机的集成的燃料喷射和点火装置，以及相关的系统、组件、部件、以及有关于此的方法。例如，如下所述的实施例中的一些大致涉及能够基于燃烧室状态优化各种燃料的喷射和燃烧的可适应燃料喷射器/点火器。在某些实施例中，这些燃料喷射器/点火器也特别地适用于对于这些喷射器/点火器具有受限的空间限制的大型发动机应用，比如改型组件以及新式组件。在以下说明书和图1至图6中阐述了某些细节，以提供对本公开的各个实施例的全面理解。但是，描述通常与内燃机、喷射器、点火器、和/或燃烧系统的其他方面有关的众所周知的结构和系统的其他细节在下文中未作阐述，以避免不必要地使本公开的各个实施例的说明变得隐晦。因此，可以理解，以下阐述的细节中的一些提供用于说明以下实施例，以便足以使得相关领域的技术人员能够制造和使用所公开的实施例。但是，如下所述的细节和优势中的一些对于实施本公开的某些实施例可能不是必要的。
附图中示出的细节、尺寸、角度、形状及其他特征中的许多仅是对本公开的具体实施例的说明。因此，其他实施例可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下具有其他细节、尺寸、角度和特征。另外，本领域技术人员将理解，在没有如下所述细节中的一些的情况下也可以实施本公开的另外的实施例。
在全部说明书中引用“一个实施例”或“实施例”指的是：与实施例结合说明的具体的特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在这整个说明书的各个位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定是指均参照同一实施例。此外，相对于具体实施例说明的具体的特征、结构或特性可以在一个或更多个其他实施例中以任意适当的方式组合。此外，本文中提供的标题仅为了方便，并不解释所要求保护的公开的范围或意思。
图1是根据本公开的实施例构造的集成式喷射器/点火器100(“喷射器100”)的示意性截面侧视图。图1中所示的喷射器100旨在示意性地示出如下所述的喷射器和组件的特征中的一些。因此，参照图1说明的这些特征并非旨在限制如下所述的喷射器和组件的任何特征。如图1所示，喷射器100包括本体102，本体102具有在第一端部部分或基部部分106与喷嘴部分108的第二端部部分之间延伸的中间部分104。基部部分106因此与喷嘴部分108间隔开。
喷嘴部分108构造成至少部分地延伸贯穿发动机头部110，以在燃烧室112的界面111处或在界面111的附近喷射以及点燃燃料。在某些实施例中，喷嘴部分108可以包括构造成装配在相对小的喷射器端口内的部件，相对小的喷射器端口常常用于大型发动机中，例如用于船舶推进发动机中。在所示实施例中，例如比如为现代柴油发动机的喷射端口的喷射端口107，可以具有大约8.4毫米(0.33英寸)或更小的直径D。但是，在其他实施例中，直径D可以大于大约8.4毫米。如以下详细地说明的，即使在这种相对小的喷射端口107中，喷射器100也特别适于在高燃料输送压力下提供适应性和快速致动，同时消除不希望的燃料滴入燃烧室112内。此外，还如以下详细说明的，喷射器100还构造成在燃烧室界面111与由本体102承载的与发动机头部110间隔开的几个致动部件之间产生相对大的距离或长度L。例如，在现代柴油发动机或其他大型发动机中，发动机头部110处的拥挤的进气和排气阀组系机构可能需要12至36英寸或更大的间隔长度L。
在图1所示的实施例中，喷射器100包括从基部部分106延伸至喷嘴部分108的芯部组件113。喷射器110还包括同轴地布置在芯部组件113的至少一部分上的本体绝缘体142。芯部组件113包括点火棒或导体114、点火绝缘体116和阀118。点火导体114在基部部分106处可操作地联接至电压源，并且从基部部分106延伸穿过喷嘴部分108。点火导体114包括邻近燃烧室112的界面111的端部部分115，端部部分115包括构造成与头部110产生点火事件的一个或更多个点火特征。点火绝缘体116同轴地布置在点火导体114的至少一部分上，并且从基部部分106至少部分地延伸到喷嘴部分108内。阀118同轴地布置在绝缘体116的至少一部分上。在所示的实施例中，阀118具有第一长度，点火绝缘体116具有大于第一长度的第二长度，点火导体114具有大于第二长度的第三长度。阀118构造成在打开位置(如图1所示)与关闭位置之间运动。更具体地，阀118包括密封端部部分119，当阀118位于关闭位置时，密封端部部分119靠在对应的阀座121上。阀座121可以由本体绝缘体142承载。当阀118运动至打开位置时，端部部分119与阀座121间隔开，以使得燃料能够流过或者以其他方式经过阀座121。
喷射器100还包括由基部部分106承载的阀操作器组件125。阀操作器组件125至少包括致动器或驱动器120以及处理器或控制器122。更具体地，驱动器120定位在基部部分106处并且可操作地联接至阀118。驱动器120还可操作地联接至控制器122。驱动器120能够由任何适当的力发生机构(例如，电、机电、磁等等)致动，以接合和运动阀118。控制器122还可以可操作地联接至一个或更多个传感器，传感器由喷射器100承载或定位在安装喷射器100的发动机中的其他地方。这些传感器能够检测燃烧室数据或可以与燃烧室数据相互关联的其他发动机相关数据。例如在一个实施例中，控制器122可以可操作地联接至作为由点火导体114承载的光纤的传感器。因此，控制器122可以引导或者以其他方式控制驱动器120，以响应于一个或更多个燃烧室特性致动阀118。
在操作中，燃料被引入基部部分106中并进入燃料流动路径或通道124内。燃料通道124在本体102与阀118之间从基部部分106通过中间部分104延伸至喷嘴部分108。精确计量量的燃料能够通过喷射器100被选择性和适应性地引入燃烧室112内。例如，驱动器120致动阀118，以使阀118沿着绝缘体116纵向地滑动或者以其他方式运动，从而使得阀118的密封端部部分119远离阀座121。当阀118沿大致平行于喷射器100的纵向轴线的方向在打开位置和关闭位置之间运动时，点火导体114和绝缘体116在本体102内保持固定。因此，绝缘体116作用为用于阀118的中心轴颈轴承，并且因此可以具有接触阀118的低摩擦外表面。此外，如以下详细所述，点火导体114可以产生点火事件，以在燃料进入燃烧室112之前或在燃料进入燃烧室112时点燃燃料。还如以下详细所述的，阀118的密封端部部分119可以定位在喷射器100内的各个位置上，包括，例如，定位在喷射端口107内和/或靠近燃烧室112的界面111。
图2A是根据本公开的另一个实施例构造的集成式喷射器/点火器200(“喷射器200”)的截面侧视图。图2A中示出的实施例包括在结构和功能方面与如上参照图1所述的喷射器100的对应特征基本相似的几个特征。例如，图2中示出的喷射器200包括本体202，本体202具有在第一端部部分或基部部分206与第二端部部分或喷嘴部分208之间延伸的中间部分204。喷嘴部分208被构造成至少部分地插入发动机头部210中的喷射端口207内。如以下详细所述的，喷射器200被构造成克服许多现代柴油发动机或其他大型发动机的难题，许多现代柴油机或其他大型发动机将喷射器端口207在直径上的尺寸限制至大约8.4mm(0.33英寸)或更小，并且还限制拥挤的进气和排气阀组系机构的可用空间，拥挤的进气和排气阀组系机构通常需要在燃烧室212处的界面211与喷射器200的阀操作部件之间具有大约12至36英寸或更大的间隔长度L。
根据所示实施例的特征，喷射器200还包括芯部组件213，芯部组件213从基部部分206通过本体202至少部分地延伸到喷嘴部分208内。芯部组件213便于燃料喷射和点火。更具体地，芯部组件213包括同轴地布置在点火棒或导体214上的芯部或点火绝缘体216。芯部组件213还包括同轴地布置在芯部绝缘体216上的活动管式阀218。在所示实施例中，点火导体214是固定点火构件，固定点火构件可以是导电棒或李兹(Litz)线束。点火导体214联接至基部部分206中的点火装置或端子227，以接收电压能量。更具体地，点火端子227联接至电压供给导体209，电压供给导体209接着联接至适当的电压源。例如，在一个实施例中，点火端子227能够向点火导体214供给至少大约80KV(DC或AC)。但是，在其他实施例中，点火端子227能够向点火导体214供给更大或更小的电压。
点火导体214还包括定位在喷嘴部分208处的一个或更多个点火特征234。在所示实施例中，点火特征234可以是针状螺纹或远离点火构件214周向地延伸的其他类型的凸部。点火特征234保持固定并且用作第一电极。喷射端口207的内径作用为用于产生比如等离子体点火事件的点火事件的对应的第二电极。例如，在某些实施例中，如图2A所示，喷嘴部分208可以包括在喷射端口207的内表面或直径的至少一部分上的薄的导电电极衬层或镀层235。电极衬层235可用于保护喷射端口207的内表面免受等离子体侵蚀。但是，在没有电极衬层235的实施例中，高频AC可用于消除喷射端口207的内表面上的等离子体侵蚀。
在所示实施例中，点火导体214还包括布置在点火导体214内的一个或更多个传感器，比如一个或更多个光纤217。光纤217可以纵向地延伸通过点火导体214，并且构造成利用喷射器100将来自燃烧室212的数据传输至喷射器100或发动机中的一个或更多个部件。
根据所示实施例的某些特征，芯部绝缘体216保持固定在点火导体214上，并且可以由陶瓷绝缘体构成，如以上通过参引方式将其全部内容结合的待审申请中公开的。例如，在一个实施例中，芯部绝缘体216可以由用PTFE或PEEK单丝构成的长引线螺旋形式制成。但是，在其他实施例中，芯部绝缘体216可以由适于包含输送至喷射器200和/或在喷射器200内产生的电压的其他材料制成。例如，芯部绝缘体216可以由适于在温度达到大约1000°F时包含80KV(DC或AC)的绝缘材料构成。但是，在其他实施例中，绝缘体216可以构造成包含更高或更低的电压，以及在更热或更冷的温度中操作。还如以下详细说明的，当阀218沿着芯部绝缘体216在打开位置与关闭位置之间运动时，芯部绝缘体216还能够用作用于阀218的低摩擦中心轴颈轴承面。
如在示出的实施例中所示，阀218是向外打开阀(例如，沿朝向燃烧室212的方向打开)，向外打开阀沿着绝缘体216可运动以将燃料从喷嘴部分208选择性地引入燃烧室212内。更具体地，阀218构造成沿着绝缘体216在打开位置与关闭位置之间以及在大致平行于喷射器200的纵向轴线的方向上滑动。阀218包括与第二或密封端部部分219相对的第一端部部分223。当阀218位于关闭位置时，密封端部部分219形成抵靠对应阀座221的不透流体的密封。以下参照图2B说明阀218的进一步的细节。
图2B是图2A中示出的阀218的局部分解的截面侧视图。参照图2B，阀218包括中空芯部或本体244，中空芯部或本体244具有与外表面248相对的内表面246。本体244可以由如在2010年8月16日提交的名称为“INTERNALLYREINFORCEDSTRUCTURALCOMPOSITESANDASSOCIATEDMETHODSOFMANUFACTURING”的美国专利申请No.12/857,461中公开的加强的结构复合材料制成，该专利申请的全部内容通过参引方式引入本文。例如，本体244可以由相对低密度间隔的石墨或石墨烯结构制成，石墨或石墨烯结构提供以下有益效果：减小惯量、实现高强度和刚度、以及提供高的耐疲劳强度。更具体地，本体244可以由通过一个或更多个碳-碳层加强的轻质但坚固的石墨结构芯部构成。碳-碳层可以由碳授体(例如，比如为聚烯烃或PAN的石油沥青或热塑塑料)的适当的前体应用制备。一个或更多个碳-碳层还可以提供射频屏蔽和保护。通过利用适当的合金为外表面248镀层，可以建立额外保护，适当的合金比如为可以通过适当的铜焊合金成分被铜焊至本体244的镍合金。内表面246构造成沿着芯部绝缘体216滑动或者以其他方式运动(图2A)。因此，内表面246的至少一部分可以包括适当的低摩擦涂层，比如聚酰亚胺、PEEK、聚对亚苯基二甲基H或PTFE共聚物，以便于阀218沿着芯部绝缘体216的运动(图2A)。另外，外表面248还可以包括高强度材料，比如石墨丝加强的聚酰亚胺或具有热固性胶粘剂的石墨带。
根据所示实施例的另外的特征，阀218包括扩大的密封端部部分219，扩大的密封端部部分219构造成当阀218位于关闭位置时相对于阀座221密封或者以其他方式抵靠在阀座221上(图2A)。密封端部部分219具有大致漏斗形状或大致环形呈喇叭状展开的形状，该形状的直径大于本体244的直径。更具体地，密封端部部分219是本体244的具有逐渐地增大的直径的端部部分。在某些实施例中，密封端部部分219可以包括弹性涂层或弹性部分，以便于与对应的阀座221(图2A)密封。例如，在所示实施例中，密封端部部分219的外表面248可以包括弹性环或涂层，比如氟硅氧烷涂层、全氟弹性体或其他含氟弹性体，以至少部分地与对应的阀座的形状相符。在其他实施例中，例如对于如以下详细说明的向内打开的阀，内表面246可以包括弹性环或涂层以便于与对应的阀座密封。此外，在更进一步的实施例中，接触密封端部部分219的阀座可以包括弹性涂层或弹性部分以便于密封。
在所示实施例中，阀218还包括可被附连至第一端部部分223的外表面248的一个或更多个止动构件或止动套环230(单独地标识为第一止动套环230a和第二止动套环230b)。尽管止动套环230在图2B中示出为与阀218分离的部件，但在其他实施例中，止动套环230可以一体地形成在阀218的外表面248上。如以下详细说明的，止动套环230构造成接触或者以其他方式接合喷射器200中的致动器或驱动器，以使阀218在打开位置与关闭位置之间运动。
再次参照图2A，如以下详细说明的，当阀218被致动至打开位置时，阀218的密封端部部分219变得与阀座221间隔开，以将燃料选择性地引入喷射端口207内。如在示出的实施例中所示，阀座221靠近芯部绝缘体216的端部定位。阀座221还靠近点火导体214的点火特征235定位。但是，在其他实施例中，点火特征235可以相对于阀座221定位在其他位置处，包括，例如，定位在与阀座221间隔开并且邻近燃烧室212的界面211的位置处。
阀218的第一端部部分223可操作地联接至阀操作器组件225。阀操作器组件225构造成使阀218在打开位置与关闭位置之间选择性地运动。更具体地，阀操作器组件225包括可操作地联接至阀218的驱动器220、构造成引起驱动器220的运动的力发生器226(示意性地示出)、和可操作地联接至力发生器226的处理器或控制器222。力发生器226可以是用于引起驱动器220的运动的任何适当的类型的力发生器，包括，例如，如在以上通过参引方式结合的专利和专利申请中的任一个中公开的电、电磁、磁以及其他适当的力发生器。此外，控制器222还可以联接至遍布喷射器200定位的一个或更多个传感器。
驱动器220同轴地设置在阀218的第一端部部分223上并且包括止动腔228，止动腔228具有与阀218的第一端部部分223上的一个或更多个止动套环230接合的第一接触表面229。偏置构件或弹簧232接合驱动器220的与第一接触表面229相对的第二接触表面231。弹簧232定位在基部部分206中的弹簧腔233内。因此，弹簧232沿背离喷嘴部分208(例如，朝向基部部分206)的方向推动驱动器220。当弹簧232朝向基部部分206推动驱动器220时，第一接触表面229接合阀218上的止动套环230，以张紧阀218或者以其他方式朝向基部部分206推动阀218，保持阀218的密封端部部分219抵靠阀座221而处于常闭位置中。在某些实施例中，阀操作器组件225还可以包括一个或更多个另外的偏置构件236，比如电磁体或永磁体，另外的偏置构件236可以选择性地朝向基部部分206偏置驱动器220，以在喷射事件之间将阀218张紧在常闭位置中。
基部部分206还包括构造成将燃料引入喷射器200内的燃料配件或进口238。燃料能够从燃料进口238穿过力发生器226行进，如由基部部分燃料路径239所示。燃料通过多个排出通道240排出力发生器226，多个排出通道240流体地联接至靠近芯部组件213纵向地延伸的燃料流动路径或通道224。更具体地，燃料流动路径224在阀218与中间部分204的绝缘本体242和喷嘴部分208的内表面之间延伸。电绝缘本体242可以由适于包含在喷射器200中产生的高压的陶瓷或聚合物绝缘体制成，如在以上通过参引方式将其全部内容结合的专利申请中所公开的。当阀218的密封端部部分219接触阀座221时，密封端部部分219密封或者以其他方式关闭燃料流动路径224。但是，当驱动器220打开阀218时，燃料经过阀座221和密封端部部分219朝向燃烧室212流动。当燃料朝向燃烧室212流动时，点火导体214将来自209的DC和/或AC电压传输至电离起动特征234，以电离燃料并且朝向燃烧室快速地传送和推进燃料。例如，在某些实施例中，当力发生器226致动驱动器220、从而接着使阀218运动时，燃料流过点火导体214的点火特征234。当燃料流动时，点火特征234产生点火事件，以通过经由电压供给导体209将电离电压施加到电压端子227上来部分地或基本地电离燃料。更具体地，施加到点火特征234上的点火电压产生电离燃料的等离子体放电爆炸，电离燃料被快速地加速并且喷射到燃烧室212内。在点火特征234处产生这种高压启动电离，当等离子体中的非常大量的离子产生并向外行进时，电离则快速地传播以推动燃料经过界面211进入燃烧室212内并进入过剩空气内，从而提供不同程度的绝热分层腔燃烧的隔离。这样，喷射器200以及本文中说明的其他喷射器能够电离喷射器内的空气，然后，将燃料引入电离空气内，电离与空气结合的燃料，以及在没有燃料和电离燃料以及空气组合物的情况下使电离空气分层，如在以上通过参引方式将其全部内容结合的专利申请中所公开的。
图3A是根据本公开的另一个实施例构造的集成式喷射器/点火器300a(“喷射器300a”)的截面侧视图。图3A中示出的喷射器300a包括在结构和功能方面与以上参照图1至图2B说明的喷射器的对应特征大致相似的多个特征。例如，如图3A所示，喷射器300a包括本体302，本体302具有在第一端部部分或基部部分306与第二端部部分或喷嘴部分308之间延伸的中间部分304。喷嘴部分308至少部分地延伸到汽缸盖310中的喷射端口307内。在某些实施例中，喷嘴部分308构造成装配在喷射端口307内，喷射端口307具有大约8.4毫米(0.33英寸)或更小的直径D，例如为现代柴油喷射端口。但是，在其他实施例中，喷嘴部分308可以装配在更大的直径D内。喷射器300a还包括由基部部分306承载的阀操作器组件325。阀操作器组件325可操作地联接至芯部组件313，用于将燃料喷射到燃烧室312内并点燃燃料。
芯部组件313包括同轴地布置在固定点火构件或导体314上的固定芯部绝缘体316。点火导体314可以包括纵向地贯穿延伸的一个或更多个传感器或光纤电缆317，以将来自燃烧室312的数据传输至阀操作器组件325或另一个控制器。芯部组件313还包括同轴地布置在芯部绝缘体316上的管式阀318。阀318包括基部部分306处的第一端部部分323，第一端部部分323接合阀操作器组件325。阀318还包括第二或密封端部部分319，第二或密封端部部分319接合或者以其他方式接触由本体绝缘体342承载的阀座321。阀操作器组件325沿着芯部绝缘体316在打开位置(如图3A所示)与关闭位置之间致动或运动阀318。在打开位置中，阀318的密封端部部分319与阀座321间隔开，以使得燃料能够从燃料流动路径或通道324经过阀座321流入喷嘴部分308内。燃料流动通道324在阀318与本体绝缘体342之间的环形空间中延伸通过本体302。
在图3A所示的实施例中，阀318的密封端部部分319小于喷射端口307。更具体地，密封端部部分319具有小于喷射端口307的直径D的最大外径。还如所示实施例中示出的，密封端部部分319与燃烧室界面311间隔开相对大的距离或长度L。更具体地，在所示实施例中，长度L大致等于发动机头部310的厚度，在有些情况下长度L可以是12英寸或更大。但是，在其他实施例中，例如如以下参照图3B详细描述的，阀318的密封端部部分319可以相对于界面311定位在其他位置处。因此，图3A中示出的喷射器300a构造成在燃烧室界面311与阀318的密封端部部分319之间产生相对大的长度L。例如在现代柴油发电机或其他大型发动机中，拥挤的进气和排气阀组系机构可能需要12至36英寸或更大的间隔长度L。
根据所示实施例的另外的特征，喷射器300a还包括沿着点火导体314的一部分延伸的一个或更多个点火特征334。点火特征334构造成与头部310一起产生电离、推力和/或点火事件。更具体地，如图3A所示，点火特征334可以由导电材料制成，导电材料包括刷状须触线或棒状导体并以卷绕或螺旋状构造围绕点火导体314螺旋地绕制。因此，点火特征334朝向喷射端口307的内表面远离点火导体314延伸。当点火能量经由点火导体314施加到点火特征334上时，点火特征334产生点火事件(例如，等离子体火花)以点燃或电离燃料、空气、和/或空气燃料混合物。在点火事件是等离子体事件的实施例中，通过等离子体爆炸的点火，电离燃料并且使电离燃料加速进入到燃烧室312内。
图3B是根据本公开的又一个实施例构造的集成式喷射器/点火器300b(“喷射器300b”)的截面侧视图。所示喷射器300b包括图3A中示出的喷射器300a多个相同特征。例如，图3B中示出的喷射器300b包括可操作地联接至阀操作器组件325的芯部组件313。芯部组件313包括点火导体314、芯部绝缘体316和阀318，并且从基部部分306至少部分地延伸到喷嘴部分308内。但是，在所示实施例中，阀318的密封端部部分319靠近燃烧室312的界面311定位或从界面311稍微凹进地定位。更具体地，阀座321和阀318的密封端部部分319在靠近或邻近燃烧室界面311的位置处定位在喷射端口307中。因此，点火导体314包括阀318的密封端部部分319的下游以及邻近燃烧室界面311的一个或更多个点火特征，以在燃烧室界面311处产生点火事件。
图4是根据本公开的另一个实施例构造的集成式喷射器/点火器400(“喷射器400”)的侧视截面图。图4中示出的喷射器400包括在结构和功能方面与以上参照图1至图3B说明的喷射器的对应特征大致相似的多个特征。例如，如图4所示，喷射器400包括本体402，本体402具有在第一端部部分或基部部分406与第二端部部分或喷嘴部分408之间延伸的中间部分404。喷嘴部分408构造成延伸到汽缸盖中的具有螺纹的14毫米的火花塞端口内，或者喷嘴部分408可以具有如图1、图3A、图3B或图6中示出的喷嘴，以装配在具有大约8.4毫米(0.33英寸)或更小的直径的端口内，如例如在许多现代柴油喷射端口中所发现的。但是，在其他实施例中，喷嘴部分408可被构造成用于不同尺寸的喷射端口。喷嘴部分408还可以包括另一个螺纹选择外表面409，用于相对于燃烧室的适当的牢固接合。
喷射器400还包括由基部部分406承载的阀操作器组件425。阀操作器组件425可操作地联接至芯部组件413，用于在燃烧室中喷射和点燃燃料。芯部组件413包括同轴地设置在固定点火构件或导体414上的固定芯部绝缘体416。点火导体414可以包括纵向地贯穿延伸的一个或更多个传感器或光纤电缆417，以将来自燃烧室的数据传送至阀操作器组件425，阀操作器组件425可以包括控制器或处理器422或者连接至适当的计算机、控制器或处理器的无线或电缆连接通信节点。在所示实施例中，点火导体414包括扩大或膨胀的端部部分433，端部部分433构造成邻近与燃烧室的界面。膨胀的端部部分433在与燃烧室的界面处提供用于光纤电缆417的增大的区域。膨胀的端部部分433还承载构造成与喷嘴部分408的内表面437产生点火事件的一个或更多个点火特征434。更具体地，在示出的实施例中，点火特征434可以包括围绕点火导体414的膨胀的端部部分433周向地延伸的多个螺纹或针状突出部。膨胀的端部部分433还包括阀座421，如以下进一步详细描述的。
芯部组件413延伸通过本体402的绝缘本体442。绝缘本体442可以由适于包含喷射器400中产生的高压的陶瓷或聚合物绝缘体制成。芯部组件413还包括同轴地设置在芯部绝缘体416上的管式阀418。但是，在图4所示的实施例中，阀418是向内打开阀(例如，沿背离燃烧室的方向打开)，并且相对于芯部绝缘体414是可运动的，以将燃料从喷嘴部分408选择性地引入燃烧室内。更具体地，阀418构造成沿大致平行于喷射器400的纵向轴线的方向相对于芯部绝缘体416滑动或者以其他方式运动。阀418可以在结构上与如上所述的阀相似，并且可以包括例如由碳-碳层加强的轻质但坚固的石墨结构芯部。阀418包括在基部部分406中的第一端部部分423，第一端部部分423接合阀操作器组件425。阀418还包括第二或密封端部部分419，第二或密封端部部分419在由点火导体414承载的喷嘴部分408中接合或者以其他方式接触阀座421。密封端部部分419和/或阀座421可以包括如上详细描述的一个或更多个弹性体部分。阀操作器组件425相对于芯部绝缘体416在打开位置(如图4所示)与关闭位置之间致动阀418。在打开位置中，阀418的密封端部部分419与阀座421间隔开，以使得燃料能够从燃料流动路径或通道424流过阀座421并且流出喷嘴部分408。燃料流动通道424在阀418与芯部绝缘体416之间延伸通过中间部分404。
阀操作器组件425包括引起驱动器420运动的力发生器426(例如，电、电磁、磁等等的力发生器)。力发生器426还可以可操作地联接至处理器或控制器422，处理器或控制器422接着还可以联接至延伸通过点火导体414的一个或更多个光纤电缆417。这样，控制器422例如响应于一个或更多个燃烧室状态或发动机参数可以选择性地激励或者以其他方式触发力发生器426。驱动器420接合一个或更多个止动器430，以使阀418在打开位置与关闭位置之间运动，止动器430与阀418的第一端部部分423一体地形成或者以其他方式附装到阀418的第一端部部分423上。阀操作器组件425还可以包括第一偏置构件432，第一偏置构件432接触阀418以及沿朝向喷嘴部分408的方向将阀418至少部分地推动至关闭位置。阀操作器组件425还可以包括第二偏置构件435，第二偏置构件435朝向喷嘴部分408至少部分地推动驱动器420。在某些实施例中，第一偏置构件432可以是弹簧(比如盘簧)，第二偏置构件435可以是磁体或永磁体。但是，在其他实施例中，第一偏置构件432和第二偏置构件435可以包括适用于对阀418和驱动器420提供偏置力的其他部件。
根据图4中示出的实施例的另外的特征，喷嘴部分408可以包括另外的特征，用于检测或者以其他方式收集来自燃烧室的数据并经由喷射器400将这些数据传送至一个或更多个控制器。例如，喷嘴部分408可以包括阀418的密封端部部分419中的一个或更多个开口491，以使得来自燃烧室的相关数据能够至少部分地传输通过喷射器400。喷嘴部分408还可以包括由阀座421承载的压力密封493以及由光纤电缆417承载的一个或更多个温度传感器495。这些检测特征可以构造成用于检测、感测或者另外地传送相关的燃烧室数据，比如温度数据、光学数据、压力数据、热数据、声学数据、和/或来自燃烧室的任何其他数据。
在操作中，燃料经由燃料配件或进口438进入基部部分406。燃料进口438将燃料引入力发生器426内，燃料通过多个排出通道440排出力发生器426，多个排出通道440流体地联接至靠近芯部组件413纵向地延伸的燃料流动路径424。当阀操作器组件425使阀418从关闭位置运动至打开位置(例如，沿背离燃烧室的方向)，喷嘴部分408喷射并点燃燃料。更具体地，当力发生器426引起驱动器420的运动时，驱动器420在接触由阀418承载的止动器430之前运动第一距离D1。这样，驱动器420可以在接合阀418之前获得动量或动能。在驱动器420接触止动器430之后，驱动器420继续运动至第二距离D2，同时接合阀418以在阀418上施加张力并且使得阀418运动至打开位置。这样，当阀处于打开位置(如图4中所示)时，阀418的密封端部部分419与阀座421间隔开打开距离，该打开距离大致等于第二距离D2减去第一距离D1。当燃料流动经过阀418的打开的密封端部部分419时，一个或更多个点火特征434可以产生燃料电离、空气电离和/或混合的燃料和空气电离的事件，以将燃料燃烧为燃烧室中的分层进气。因此，本文中所说明的任何喷射器的驱动器或致动器可以运动预定距离，以在接合对应的阀之前至少部分地获得动量。
图5A是根据本公开的另一个实施例构造的集成式喷射器/点火器500(“喷射器500”)的侧视截面图。图5中示出的喷射器500包括在结构和功能上与如上参照图1至图4所述喷射器的对应的特征大致相似的多个特征。例如，如图5所示，喷射器500包括本体502，本体502具有在第一端部部分或基部部分506与第二端部部分或喷嘴部分508之间延伸的中间部分504。喷嘴部分508构造成延伸到如图所示的汽缸盖中的螺纹喷射端口内，或者喷嘴部分508可如图1、图3A、图3B或图6中所示地构造成装配在具有大约8.4毫米(0.33英寸)或更小的直径的端口内，如例如在许多现代柴油喷射端口中所发现的。但是，在其他实施例中，喷嘴部分508可被构造成用于不同尺寸的喷射端口。喷嘴部分508还可以包括外表面509上的任何数量的交替螺纹选择，用于与燃烧室的适当的接合。
喷射器500还包括基部部分506处的阀操作器组件525。阀操作器组件525构造成致动遍及喷射器500的本体502定位的多个阀。更具体地，阀操作器组件525包括引起驱动器520的运动的力发生器526(例如，压电、电磁、磁等等的力发生器)。力发生器526还可以可操作地联接至处理器或控制器，以例如响应于一个或更多个燃烧室状态或发动机参数选择性地脉动或触发力发生器526。驱动器520在基部部分506处接合第一单向阀或基部阀554。更具体地，基部阀554可以包括一个或更多个止动器530，止动器530接合驱动器520，使得驱动器520使基部阀554在打开位置与关闭位置之间运动(基部阀554在图5A中示出位于关闭位置)。一个或更多个止动器530可以附装至基部阀554的第一端部部分555或者以其他方式与第一端部部分555一体地形成。基部阀554还包括与管道部件542的第一端部部分558相对的基部阀头部或密封部分556，如图所示。因此，基部阀头部556在从基部部分506向喷射器500的中间部分504的过渡处接合对应的阀座558。
根据所示实施例的另外的特征，喷射器500还包括至少延伸通过中间部分504和喷嘴部分502的绝缘本体542。绝缘本体542可以由适于包含喷射器500中产生的高压的陶瓷或聚合物绝缘体制成。喷射器500还包括延伸通过绝缘本体542的燃料流动路径。更具体地，喷射器500包括背离单向阀554延伸到中间部分504内的第一燃料流动节段562。第一燃料流动节段562流体地联接至第二燃料流动节段564，并且从中间部分504延伸到喷嘴部分508内。
在某些实施例中，第一燃料流动节段562和第二燃料流动节段564可以由适应燃料膨胀和收缩的材料制成，以至少部分地防止燃料在燃烧室界面处从喷嘴部分508滴下。更具体地，第一燃料流动路径562和第二燃料流动路径564中的每一个均可以包括延伸通过比如为闭孔泡沫塑料弹簧(closedcellfoamspring)的闭孔弹簧(closedcellspring)的一个或更多个通道，闭孔弹簧具有适当的横截面以允许燃料流动通过。在某些实施例中，第一流通路径562和第二流通路径564可以由具有适当的热和化学耐性以及疲劳耐性的材料制成。更具体地，这些材料可以包括硅树脂、氟硅氧烷和各种含氟聚合物，各种含氟聚合物包括例如PFA、PTFE、PVDF和其他共聚物。这些部件可以挤出或模注成具有填充有气体或工作流体的许多开孔或闭孔或闭合体积。例如，这种气体可以包括氩气、二氧化碳、氮气等等，这种工作流体可以包括氨、丙烷、丁烷、氟化甲烷、乙烷或丁烷。此外，这种气体或工作流体提供液体和蒸汽的储备，液体和蒸汽可以用作加热时的蒸发物和热损失时的相冷凝器(phasecondenser)，以由此用作组合的弹簧和热飞轮或阻止逆向膨胀以及在燃烧室界面处的燃料下滴的屏障。
图5B和图5D示出第一燃料流动路径562的适当的截面形状的各个实施例，图5C和图5E示出第二燃料流动路径564的适当的截面形状的各个实施例。更具体地，图5B是大致沿着图5A的线5B-5B截取的第一流动路径562的截面视图。在图5B所示的实施例中，第一燃料流动路径562包括第一流动路径导引器565，第一流动路径导引器565包括多个第一流动通路或通道567。第一导引器565可以由闭孔弹簧材料制成，通道567纵向地延伸通过第一导引器565。图5C是基本沿着图5A的线5C-5C截取的第二流动路径564的截面视图。在图5C所示的实施例中，第二流动路径564包括第二流动路径导引器569，第二流动路径导引器569包括具有对应的第二流动通路或通道571的多个分离的区域或部分563。尽管在所示实施例中示出为六个区域563，但在其他实施例中，第二导引器569可以包括更多或更少数量的第二通道571。第二流动通道纵向地延伸通过第二导引器569。图5D是大致沿着图5A的线5B-5B截取的第一流动路径562的可替代实施例的截面视图。在图5D所示的实施例中，第一燃料流动路径562包括第一流动路径导引器565，第一流动路径导引器565包括十字形第一流动通路或通道567。第一导引器565可以由闭孔弹簧材料制成，通道567纵向地延伸通过第一导引器565。图5E是基本沿着图5A的线5C-5C截取的第二流动路径564的截面视图。在图5E所示的实施例中，第二流动路径564包括第二流动路径导引器569，第二流动路径导引器569包括多个星形的第二流动通路或通道571。第二流动通道571纵向地延伸通过第二导引器569。
再次参照图5A，在喷嘴部分508处，喷射器500还包括可操作地联接至芯部或点火组件575的径向地扩大的套管或流量阀566。点火组件575包括同轴地设置在第二流动节段564的至少一部分上的固定点火导体576。在某些实施例中，点火导体576可以是设置在第二流动节段564上的导电壳体或罩盖，比如金属壳体或镀金属陶瓷。点火导体576经由电压端子574联接至电压供给导体509。电压供给导体509接着联接至适当的电压源。在一个实施例中，点火端子574可以向点火导体576供给至少大约80KV(DC或AC)。但是，在其他实施例中，点火端子574可以向点火导体576供给更大或更小的电压。点火组件575还包括联接至点火导体576的点火适配器578。点火适配器578提供一个或更多个燃料通道578H并且还联接至喷嘴点火导体或棒580。点火棒580带螺纹地容纳在点火适配器578内并且从点火适配器578延伸至喷嘴部分508的远端部分，以定位在与燃烧室的界面处。在所示出的实施例中，点火棒580包括定位在喷嘴部分508处的点火构件或电极584。点火电极584可以是附接至点火棒580的独立部件。但是，在其他实施例中，点火电极584可以与点火棒580一体地形成。此外，点火特征586可以包括背离点火电极584周向地延伸的平滑部分和/或针状螺纹或其他类型的凸部。点火电极584和对应的点火特征586保持固定并且用作第一电极。喷嘴部分508的内径作用为对应的第二电极，用于与点火特征586产生点火事件，比如等离子体点火事件。
点火组件575还包括同轴地设置在点火电极584的至少一部分上的点火绝缘体582。点火绝缘体582可以由适当的绝缘或介电材料制成，并且因此使点火棒580与点火电极509绝缘。点火绝缘体582包括扩大的端部部分583，扩大的端部部分583具有靠近点火电极584的更大的截面尺寸(例如，直径)。扩大端部部分583构造成在常闭位置期间如图所示地接触流量阀566。根据所示实施例的另外的特征，喷嘴部分508还可以包括构造成偏置或者以其他方式吸引流量阀566的部分的一个或更多个偏置构件581。
在所示的实施例中，流量阀566是径向地打开或扩张的流量阀。更具体地，流量阀566是同轴地设置在第二燃料流动节段564、点火导体576、点火适配器578、点火棒580和点火绝缘体582的至少一部分上的可变形或弹性体套筒阀566，如图所示。流量阀566包括第一或固定端部部分568，第一或固定端部部分568在点火绝缘体582的下游的位置处锚定、粘附或者以其他方式联接至点火导体576。例如，可以利用适当的胶粘剂、热聚物、热固性复合物或其他适当的胶粘剂将第一端部部分568粘附至点火导体576。流量阀566还包括与固定端部部分568相对的可变形或活动的第二端部部分570。活动的端部部分570接触点火绝缘体582的扩大的端部部分583，并且构造成至少部分地径向膨胀、扩大或者以其他方式变形以使得燃料能够排出喷射器500的喷嘴部分508。以下参照图5F和图5G论述流量阀566的实施例的更多细节。
图5F是根据本公开的实施例构造的第一流量阀566a的一个实施例的侧视图，其可被用于图5A的喷射器500的喷嘴部分508中。在图5F所示的实施例中，第一流量阀566a具有大致柱状或管状的套管形状，第一流量阀566a包括与可变形或活动的第二端部部分570相对的第一或固定端部部分568。第一流量阀566a可以包括围绕固定端部部分568的至少一部分延伸的附属套环或止动器569。附属止动器569构造成通过至少部分地接合绝缘本体542(图5A)辅助地将固定端部部分568保持在点火导体576上的所需位置处。根据所示实施例的另外的特征，可变形或活动的端部部分570可以包括多个间隔开的可变形指状部分或簧片571。簧片571定位在喷嘴部分508中，以至少部分地交叠和接触点火绝缘体582的扩大的端部部分583。此外，簧片571构造成径向向外地变形或者以其他方式张开，如图中虚线所示出的簧片571。这样，加压的燃料和/或一个或更多个致动器可以使簧片571中的一个或更多个挠曲或变形，以使得燃料能够通过通常被覆盖以及关闭的端口排出，从而提供来自喷射器500的喷嘴部分508的燃料喷射。在一个实施例中，第一流量阀566a可以由金属材料制成，比如弹簧钢。但是，在其他实施例中，第一流量阀可以由适当的弹性体制成。
图5G是根据本公开的实施例构造的第二流量阀566b的侧视图，其也可被用于喷射器500的喷嘴部分508中(图5A)。第二流量阀566b在结构和功能方面与图5B中所示的第一流量阀566a大致相似。但是，第二流量阀566b不包括独立的可变形部分或簧片。相反地，第二流量阀566b包括具有大致柱状或管状套管形状的可变形或活动的第二端部部分570。可变形端部部分包括设置在第二流量阀566b上的多个间隔开的可变形节段573。更具体地，在一个实施例中，第二流量阀566b可以由适当的弹性体或其他可变形材料制成，可变形节段573可以包括离散部分或节段的喷镀铁磁材料，比如金属涂层。例如，可变形节段573可以包括由比如为玻璃铁(glassiron)、铁钴合金(例如，大约48％的钴和52％的铁)、铁铬硅、或其他适当的铁合金组成的金属涂层。这样，可变形部分573能够响应于施加到第二流量阀566上的磁力选择性地使第二流量阀566的第二端部部分570变形。
再次参考图5A，根据所示实施例的另外的特征，喷射器500还包括在喷嘴部分508中定位在流量阀566与点火绝缘体582之间的燃料排出通路572。燃料排出通路572经由点火适配器578流体地联接至第二燃料流动节段564。在操作期间，燃料被引入燃料排出通路572，并且通过流量阀566的致动选择性地从喷嘴部分508分散。更具体地，在操作期间，燃料经由第一燃料配件或进口538a进入燃料喷射器500，并进入基部部分506内。第一燃料进口538a将燃料引入力发生器526内，燃料通过多个排出通道540排出力发生器526。排出通道540流体地联接至燃料流动路径或通道524。但是，在其他实施例中，基部部分506可以包括可选择的第二燃料进口538b(以虚线示出)以将燃料直接引入燃料流动路径524内，而不通过力发生器526。驱动器520包括贯穿地延伸的多个燃料流动通道或通路，以使得燃料能够流向中间燃料流动容积560。当基部阀头部556抵靠在阀座558上时，基部阀头部密封中间燃料流动容积560。
当阀操作器组件525通过使基部阀头部556从阀座558提升使得单向阀或基部阀554运动至打开位置时，加压的燃料被引入第一燃料流动节段564内。例如，在某些实施例中，力发生器526可以致动驱动器520，以在接触基部阀554上的止动器530之前运动第一距离。在获得动量并且接触止动器530之后，驱动器520可以与基部阀554一起运动第二距离，以打开基部阀头部556。然后，加压燃料从第一燃料流动节段564通过第二燃料流动节段566并通过点火适配器578流动到燃料排出通路572内。在一个实施例中，燃料排出通路572中的燃料的压力足以使流量阀566的活动端部部分570至少部分地径向扩张或者以其他方式变形，以使得燃料能够流动经过点火绝缘体580的扩大的端部部分583。流量阀566在喷嘴部分508中的位置因此防止燃料从喷嘴部分508滴下或不希望的滴流。在其他实施例中，一个或更多个致动器、驱动器、选择性的偏置构件、或其他适当的力发生器能够使流量阀566的活动端部部分570至少部分地径向扩张或者以其他方式变形。当流量阀566从燃料排出通路572选择性地分配燃料时，燃料流动经过一个或更多个点火特征586，一个或更多个点火特征586能够产生点火事件，以点燃燃料并且将燃料喷射到燃烧室内。
图6是根据本公开的又一个实施例构造的集成式喷射器/点火器600(“喷射器600”)的截面侧视图。如以下详细说明的，喷射器600特别地适用于大型发动机应用，包括例如燃气轮机和各种高速旋转内燃机，以根据多个燃料选择和/或多波群应用进行操作。喷射器600还特别地适用于包括如上所述的相对小的喷射端口的应用。图6中示出的喷射器600包括在结构和功能方面与以上参照图1至图5G说明的喷射器的对应特征大致相似的多个特征。例如，如图6所示，喷射器600包括本体602，本体602具有在第一或基部部分606与第二或喷嘴部分608之间延伸的中间部分604。喷嘴部分608构造成延伸到汽缸盖中的喷射端口内，比如具有大约8.4毫米(0.33英寸)或更小的直径的端口，例如在现代柴油喷射端口中所发现的。但是，在其他实施例中，喷嘴部分608可被构造成用于不同尺寸的喷射端口。
喷射器600还包括一个或更多个基部组件629(单独地标示为第一基部组件629a和第二基部组件629b)，基部组件629构造成将燃料接收到喷射器600的基部部分606内并且选择性地将燃料计量至喷嘴部分608。更具体地，每个基部组件629均包括构造成致动对应的提升阀或基部阀654的阀操作器组件625。更具体地，阀操作器组件625包括引起驱动器620的运动的力发生器626(例如，电、电磁、磁等等的力发生器)。力发生器626还可以可操作地联接至对应的控制器或处理器622(单独地标识为第一控制器622a和第二控制器622b)，以例如响应于一个或更多个燃烧室状态或其他发动机参数选择性地脉动或致动力发生器626。驱动器620接合基部部分606处的第一单向阀或基部阀654。更具体地，基部阀654包括一个或更多个止动器630，止动器630接合定位在偏置构件腔619中的偏置构件617(例如，盘簧)，以如图6所示地朝向关闭位置(例如，沿朝向喷嘴部分608的方向)偏置基部阀。基部阀止动器630还接合驱动器620，以致于驱动器620使基部阀654在打开位置与关闭位置之间运动。基部阀654还包括在如图所示的常闭位置中接合对应的阀座658的基部阀头部或密封部分656。
根据所示实施例的另外的特征，喷射器600还包括燃料进口配件638(单独地标识为第一燃料进口配件638a和第二燃料进口配件638b)，燃料进口配件638可操作地联接至对应的基部组件629，以将燃料引入基部组件629内。在每个基部组件629中，燃料流过力发生器626和驱动器620，以当基部阀位于打开位置时运动经过基部阀头部656。喷射器600还包括燃料连接管道657(单独地标识为第一燃料连接管道657a和第二燃料连接管道657b)，以将燃料从基部部分606输送至延伸通过本体602的中间部分606和喷嘴部分608的燃料流动路径或通道624。燃料流动通道624靠近芯部组件613纵向地延伸，芯部组件613从基部部分606延伸通过本体602至少部分地进入喷嘴部分608内。芯部组件613包括同轴地设置在点火构件或导体614上的芯部绝缘体616。芯部组件613还包括柱状或管状包围构件688，柱状或管状包围构件688与点火绝缘体616至少部分地限定燃料流动通道624。芯部组件613延伸通过本体402的绝缘本体642。点火导体614可操作地联接至点火端子627，以向具有一个或更多个点火特征686的点火电极684供给点火电压。点火电极684是能够与第二电极685产生点火事件的第一电极，第二电极685可以是喷嘴部分608的远端的导电部分。点火绝缘体616包括扩大的端部部分683，扩大的端部部分683具有靠近点火电极684的更大的截面尺寸(例如，更大的截面直径)。
点火绝缘体616的扩大的端部部分683构造成接触由喷嘴部分608承载的流量控制阀666。流量阀666是包括第一或固定端部部分668的径向扩张阀，第一或固定端部部分668在点火绝缘体616的扩大的端部部分683下游的位置处锚定、粘附或者以其他方式联接至包围构件688。例如，可以利用适当的胶粘剂、热聚物、热固性复合物、或其他适当的胶粘剂将第一端部部分668粘附至包围构件688的外表面。流量阀666还包括与固定端部部分668相对的可变形或活动的第二端部部分670。活动端部部分670接触点火绝缘体682的扩大的端部部分683，并且构造成至少部分地径向膨胀、扩大或者以其他方式变形以使得燃料能够排出喷射器600的喷嘴部分608。更具体地，包围构件688包括靠近流量阀666的活动端部部分670的多个燃料排出端口669。
在操作期间，燃料经由燃料进口配件638被引入基部组件629内。燃料流过力发生器626和驱动器622以达到基部阀头部656。当阀操作器组件625使阀654运动至打开位置以使基部阀头部656远离阀座658时，燃料流动经过基部阀头部656并且进入燃料连接管道657内。加压燃料从燃料连接管道657流入燃料流动通道624内。在一个实施例中，燃料流动通道624中的燃料的压力足以使流量阀666的活动端部部分670至少部分地径向扩张或者以其他方式变形，以使得燃料能够流动经过点火绝缘体680的扩大的端部部分683。但是，在其他实施例中，一个或更多个致动器、驱动器、选择性的偏置构件、或其他适当的力发生器能够使流量阀666的活动端部部分670至少部分地径向扩张或者以其他方式变形。当流量阀666从燃料排出端口669选择性地分配燃料时，燃料流动经过一个或更多个点火特征686，一个或更多个点火特征686能够产生点火事件以点燃燃料并且将燃料喷射到燃烧室内。
在某些实施例中，每个基部组件629以及其他燃料流动控制器可被构造成执行：1)通过打开阀组件中的任一个对燃料流进行控制，以及2)当阀打开功能完成时产生电离电压。为了获得这些功能中的两个，例如，在某些实施例中，每个力发生器626可以是包括第一或初级绕组和次级绕组的螺线管绕组。次级绕组可以包括比初级绕组更多的匝数。每个绕组还可以包括一层或更多层绝缘材料(例如，油漆或其他适当的绝缘体)，但是，次级绕组可以包括比第一绕组更多的绝缘层。力发生器626还可以被电联接至导体614。通过将力发生器626或螺线管绕制为具有更多匝数的初级绕组和次级绕组的变压器，初级绕组能够在施加电压时承载强电流，以产生牵拉或者以其他方式诱导柱塞的驱动器620运动。在打开通向初级绕组的继电器时，驱动器620被释放，并将通过次级绕组产生非常高的电压。通过提供初始电离，次级绕组的高压可被应用于等离子体产生点火事件，之后，已被充装任何适当的能量源(包括通过光电、热电和压电发生器从燃烧室获取的能量)的电容器的相对的低压放电持续地供给电离电流以及将燃料推入燃烧室内。
相对于传统喷射器和点火器，本文中详细地公开的集成式喷射器点火器以及特别地流量阀的实施例提供几个优势。例如，一个优势是这些流量阀具有径向地紧凑的形状和构造，这特别适用于定位在喷射器的喷嘴部分中，其中喷射器用于在喷射端口处具有非常有限的尺寸限制的现代柴油发动机或其他大型发动机中。例如，如以上所提到的，现代柴油发动机的喷射端口通常具有大约8.4毫米(0.33英寸)的喷射端口直径。如本文中公开的，这些流量阀以及相关的致动、绝缘和点火部件能够在受限可用空间内操作。此外，将这些阀定位在燃烧室界面处或靠近燃烧室界面能够至少部分地防止不希望的燃料下滴。在热增益趋于引起燃料的膨胀以在喷射事件之间产生压力的情况中，与在图5B、图5C、图5D和/或图5E中示出的实施例相似的实施例可被用于防止燃料在不希望的时间滴入燃烧室内。此外，本文中公开的流量阀的实施例特别地适于共振，因此获得非常高效的操作性能。此外，本文中公开的实施例能够提供在向内和向外打开构造中的阀操作器(比如驱动器或柱塞)与对应的阀的刚性连接。另外，这些实施例提供高温操作性能，适于在绝热发动机中的应用和适于需要来自燃烧室的热的相对较高的进入的其他应用。此外，这些实施例能够提供点火电压的稳定传输，由此允许非常高的电压以及随后的电极间隙电流的传输，以在液体燃料被喷射到高速爆炸的电离蒸汽和等离子体内时快速地转换液体燃料。这些实施例还可以获得非常大的功率，比如对于选择的燃气轮机和大型活塞发动机的应用为每喷射器10,000HP，选择的燃气轮机和大型活塞发动机的应用能够适应极度快速地完成燃烧以消除对预燃室和燃烧罐的需求/使用。此外，这些实施例还可以提供用于中心点火或电极组件以集成部件以及提供组合功能，包括通过比如为光学细丝的纤维617的仪表、电流和电压传导，以由此用作常闭阀的固定阀座。而且，这些实施例可以通过如图所示的点火电极在1000或更大的瞬时安培数的电流脉冲时具有能够为50KV至150KV的电离电压的非常高的介电强度。
另外，燃料喷射器的以上详细地说明的实施例中的一些可被用于构造成燃烧以氢为特征的燃料(例如，氨)或具有低能量密度的其他燃料(例如，一氧化碳和氢气)的发动机，低能量密度的燃料的能量密度可能比柴油低3000倍。例如，当输送液体甲烷、丙烷、氨、甲醇和/或其他物品的远洋油轮的发动机装备有本文中公开的喷射器的几个实施例时，其能够节约运行成本。例如，在一个实施例中，所运载的物品可以利用来自发动机的废热进行改良，如下：
2NH3---＞3H2+N2
CH3OH---＞CO+H2
这通过将推进发动机(包括比如为压燃柴油式发动机、各种旋转内燃机和燃气轮机的热机)转换成靠可以通过吸热反应从这些物品重整的燃料进行运转而得以实现，在吸热反应中，被这些热机废弃的热可被利用以驱动这些反应。在其他实施例中，喷射器还可以用于发电厂、化工厂、和/或具有产生热的发动机的其他适当的场所。
在这些类型的实施例中，利用被发动机废弃的热的热化学再生提供引人注目的燃料节省，因为所产生的以氢为表征的燃料在燃烧时产生比其原料多15至30％的能量。另外，本文中公开的喷射器的实施例能够使得以氢为表征的燃料比柴油或船用燃料燃烧更快达12倍，由此大大地改善了发动机效率并且消除了发动机的排气中的微粒。
从上文中可以理解，为了例示目的本文中已经说明了本公开的特定实施例，但在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种变型。例如，本文中公开的绝缘体的介电强度可以改变或变化以包括可替代的材料和加工方式。致动器和驱动器可以根据燃料和/或对应的喷射器的使用而变化。此外，喷射器的部件可以变化，包括例如电极、光学器件、致动器、阀和喷嘴，或者本体可以由可替代材料制成或可以包括不同于示出和说明的但仍在本公开的精神内的可替代构造。
除非在上下文中清晰地要求之外，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”、“包含”以及类似表达被解释为与排他的或穷举的意义相反的包括在内的意义；也就是说，为“包括”但不限于的意思。使用单数或复数的词语也分别包括复数或单数。当权利要求使用与一列两个或更多个项目有关的词语“或”时，该词语覆盖词语的以下解释的全部内容：所列项目中的任一个，所列项目中的全部，以及所列项目中的任意组合。另外，如上所述的各个实施例可被组合以提供另外的实施例。本说明书中引用和/或申请数据表中列出的全部美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物的全部内容通过引证结合到本文中。如果必要，可以改变本公开的各方面以根据各种构造采用燃料喷射器和点火装置，并采用各个专利、申请和出版物的理念以提供本公开的另外的实施例。
能够根据上述详细说明对本公开做出这些以及其他变化。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将本公开限制为说明书和权利要求公开的具体实施例，而应解释为包括根据权利要求操作的所有系统和方法。因此，本发明不受本公开的限制，而相反地，其范围通过以下权利要求宽泛地确定。

Claims (36)

1.一种用于在燃烧室的界面处引入和点燃燃料的喷射器，所述喷射器包括：
喷射器本体，所述喷射器本体包括：
基部部分，所述基部部分构造成将燃料接收到所述喷射器本体内；
与所述基部部分相对的喷嘴部分，其中，所述喷嘴部分构造成邻近所述燃烧室定位，用于在所述燃烧室中喷射燃料；
本体绝缘体，所述本体绝缘体延伸通过所述本体的至少一部分；以及
通过所述本体绝缘体承载的阀座，其中，所述阀座定位在所述喷嘴部分处或邻近所述喷嘴部分；
燃料流动路径，所述燃料流动路径延伸通过所述本体；以及
芯部组件，所述芯部组件与所述燃料流动路径的至少一部分同轴地延伸通过所述本体，所述芯部组件包括：
点火棒，所述点火棒从所述基部部分延伸至所述喷嘴部分；
点火绝缘体，所述点火绝缘体同轴地设置在所述点火棒上，所述点火绝缘体从所述基部部分至少部分地延伸到所述喷嘴部分内；以及
阀，所述阀同轴地设置在所述点火绝缘体上，其中，所述阀包括靠近所述阀座的密封头部，并且其中所述阀沿着所述点火绝缘体在打开位置与关闭位置之间运动，在所述打开位置中，所述密封头部与所述阀座间隔开以使得燃料能够排出所述燃料流动路径，在所述关闭位置中，所述密封头部至少部分地接触所述阀座以关闭所述燃料流动路径。
2.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述喷嘴部分具有0.33英寸或更小的直径。
3.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述喷嘴部分具有12英寸或更大的长度。
4.如权利要求1所述的喷射器，还包括由所述基部部分承载的阀操作器组件，所述阀操作器组件包括：
驱动器，所述驱动器包围所述阀的至少一部分并且能够在第一位置与第二位置之间运动，其中，当所述驱动器位于所述第一位置时，所述阀保持在所述关闭位置中，并且当所述驱动器运动至所述第二位置时，所述驱动器接合所述阀并且使所述阀运动至所述打开位置；
力发生器，所述力发生器构造成致动所述驱动器以在所述第一位置与第二位置之间运动；以及
控制器，所述控制器构造成选择性地触发所述力发生器。
5.如权利要求4所述的喷射器，还包括流体地联接至所述力发生器的燃料进口，以经由所述力发生器将燃料引入所述基部部分内。
6.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述阀包括与所述密封头部相对的第一端部部分，并且其中所述喷射器还包括在第一位置与第二位置之间可运动地定位在所述基部部分中的驱动器，其中当所述驱动器位于所述第一位置时，所述阀保持在所述打开位置中，并且当所述驱动器运动至所述第二位置时，所述驱动器接合所述阀的所述第一端部部分并且使所述阀运动至所述打开位置。
7.如权利要求6所述的喷射器，其中，所述阀的所述第一端部部分包括止动器，并且其中当所述驱动器接合所述阀的所述第一端部部分时，所述驱动器接触所述止动器。
8.如权利要求6所述的喷射器，其中，当所述驱动器朝向所述第二位置运动时，所述驱动器在接合所述阀的所述第一端部部分之前运动预定距离。
9.如权利要求1所述的喷射器，还包括延伸通过所述点火棒的一个或更多个光纤，其中，所述一个或更多个光纤构造成将来自所述燃烧室的燃烧室数据传送至控制器，所述控制器可操作地联接至所述喷射器。
10.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述点火棒包括在所述阀的所述密封头部与所述燃烧室之间定位在所述喷嘴部分中的一个或更多个点火特征，并且其中所述一个或更多个点火特征构造成产生点火事件以点燃排出所述喷嘴部分的燃料。
11.如权利要求10所述的喷射器，其中，所述一个或更多个点火特征围绕所述点火棒的至少一部分螺旋地绕制。
12.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述阀的所述密封头部与所述燃烧室的所述界面间隔开12英寸或更大的距离。
13.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述阀的所述密封头部构造成靠近所述燃烧室的所述界面定位在所述喷嘴部分中。
14.如权利要求1所述的喷射器，还包括控制器，所述控制器用于：
选择性地控制所述阀相对于所述点火绝缘体的运动；以及
选择性地控制由所述点火棒产生的点火事件。
15.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述阀具有第一长度，所述点火绝缘体具有大于所述第一长度的第二长度，以及所述点火棒具有大于所述第二长度的第三长度。
16.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述阀是向外打开阀，当所述阀从所述关闭位置运动至所述打开位置时，所述向外打开阀沿朝向所述燃烧室的方向运动。
17.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述阀是向内打开阀，当所述阀从所述关闭位置运动至所述打开位置时，所述向内打开阀沿背离所述燃烧室的方向运动。
18.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述燃料流动路径在所述阀与所述本体绝缘体之间延伸通过所述本体。
19.一种用于将燃料引入燃烧室内的喷射器，所述喷射器包括：
本体，所述本体具有与第二端部部分相对的第一端部部分，其中，所述第二端部部分构造成靠近所述燃烧室的界面定位，并且所述第一端部部分构造成与所述燃烧室间隔开；
点火导体，所述点火导体从所述第一端部部分到所述第二端部部分延伸通过所述本体，其中，所述点火导体构造成将点火能量从所述第一端部部分传送至所述第二端部部分并且邻近所述燃烧室的所述界面产生点火事件；
绝缘体，所述绝缘体沿着所述点火导体纵向地延伸并且包围所述点火导体的至少一部分；
阀，所述阀沿着所述绝缘体从所述第一端部部分纵向地延伸至所述第二端部部分，其中，所述阀包括密封端部部分，并且其中所述阀能够沿着所述绝缘体在打开位置与关闭位置之间运动；以及
阀座，所述阀座位于所述本体的所述第二端部部分处或邻近所述第二端部部分，其中，当所述阀位于所述打开位置时，所述密封端部部分与所述阀座间隔开，以及当所述阀位于所述关闭位置时，所述密封端部部分接触所述阀座的至少一部分。
20.如权利要求19所述的喷射器，其中，所述绝缘体是第一绝缘体，并且其中所述喷射器还包括：
第二绝缘体，所述第二绝缘体沿着所述本体纵向地延伸并且与所述阀径向地间隔开；以及
环形燃料流动通道，所述环形燃料流动通道在所述第二绝缘体与所述阀之间从所述第一端部部分延伸至所述第二端部部分。
21.如权利要求19所述的喷射器，还包括围绕所述阀同轴地设置并且包围所述阀的燃料流动通道。
22.如权利要求19所述的喷射器，其中，所述阀的所述密封端部部分包括所述阀的具有直径的扩大的端部部分，所述直径大于所述阀的本体部分的直径。
23.如权利要求19所述的喷射器，还包括从所述第一端部部分延伸至所述第二端部部分的一个或更多个光学传感器，其中，所述一个或更多个光学传感器构造成检测或传输来自所述燃烧室的燃烧室数据。
24.如权利要求23所述的喷射器，其中，所述一个或更多个光学传感器纵向地延伸通过所述点火导体。
25.如权利要求19所述的喷射器，其中，所述阀还包括与所述密封端部部分相对的基部部分，所述喷射器还包括：
致动器，所述致动器定位在所述第一端部部分中，其中，所述致动器能够在第一位置与第二位置之间运动，其中当所述致动器从所述第一位置朝向所述第二位置运动时，所述致动器接触所述阀的所述基部部分并且使所述阀从所述关闭位置朝向所述打开位置运动；以及
力发生器，所述力发生器靠近所述致动器定位在所述第一端部部分中，其中，所述力发生器构造成触发所述致动器，以使所述致动器在所述第一位置与第二位置之间运动。
26.如权利要求19所述的喷射器，其中，所述阀至少部分地延伸通过所述本体的所述第二端部部分，并且所述阀的所述密封端部部分靠近所述燃烧室的所述界面定位。
27.如权利要求19所述的喷射器，还包括由所述点火导体承载的一个或更多个点火特征，其中，所述一个或更多个点火特征定位在所述阀的所述密封端部部分与所述燃烧室的所述界面之间，并且其中所述一个或更多个点火特征构造成产生点火事件以点燃越过所述阀的所述密封端部部分的燃料。
28.如权利要求19所述的喷射器，其中，所述本体的所述第二端部部分具有0.33英寸或更小的直径。
29.一种用于将燃料引入燃烧室内的喷射器，所述喷射器包括：
喷嘴部分，所述喷嘴部分构造成靠近所述燃烧室的界面定位；
基部部分，所述基部部分与所述喷嘴部分相对并且构造成与所述喷嘴部分间隔开；
点火导体，所述点火导体至少部分地延伸通过所述喷嘴部分；
点火绝缘体，所述点火绝缘体同轴地设置在所述点火导体的至少一部分上；以及
阀，所述阀定位在所述喷嘴部分中，并且同轴地设置在所述点火绝缘体的至少一部分上，并且与所述点火绝缘体的至少一部分径向地间隔开，其中，所述阀包括：
第一端部部分，所述第一端部部分相对于所述点火绝缘体保持基本固定；以及
第二密封端部部分，所述第二密封端部部分定位在所述第一端部部分与所述燃烧室之间，其中，所述第二密封端部部分能够沿径向地背离所述点火绝缘体的方向至少部分地变形，以从关闭位置运动至打开位置，从而将来自所述喷嘴部分的燃料喷射到所述燃烧室内。
30.如权利要求29所述的喷射器，其中，所述阀是第一阀，并且其中所述喷射器还包括定位在所述基部部分中的第二阀，其中所述第二阀沿大致平行于所述喷射器的纵向轴线的方向从关闭位置运动至打开位置，以使得所述燃料能够从所述基部部分流动至所述喷嘴部分。
31.如权利要求30所述的喷射器，其中，所述第二阀能够与所述第一阀独立地运动。
32.如权利要求30所述的喷射器，还包括可运动地定位在所述基部部分中的驱动器，所述驱动器同轴地包围所述第二阀的至少一部分，其中，所述驱动器能够在第一位置与第二位置之间运动，其中当所述驱动器从所述第一位置朝向所述第二位置运动时，所述驱动器接合所述第二阀并且使所述第二阀从所述关闭位置朝向所述打开位置运动。
33.如权利要求29所述的喷射器，其中，所述点火导体是第一点火导体，并且其中所述喷射器还包括电联接至所述第一点火导体的第二点火导体，其中所述第二点火导体从所述喷嘴部分朝向所述基部部分延伸并且至少部分地包住燃料流动通道，所述燃料流动通道纵向地延伸通过所述喷射器。
34.如权利要求29所述的喷射器，还包括位于所述基部部分处的点火端子，其中，所述点火端子构造成可操作地联接至点火能量源，并且其中所述点火导体从所述基部部分中的所述点火端子延伸至所述喷嘴部分。
35.如权利要求34所述的喷射器，其中，所述点火绝缘体同轴地设置在所述点火导体上，并且从所述基部部分至少部分地延伸到所述喷嘴部分内。
36.如权利要求29所述的喷射器，其中，所述点火绝缘体包括扩大的端部部分，所述扩大的端部部分靠近所述燃烧室的所述界面定位，并且其中所述阀的所述第二密封端部部分靠近所述点火绝缘体的所述扩大的端部部分定位。
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