CN102933833A - 带有直接传动件和伺服传动件的喷射阀 - Google Patents

Abstract

公开一种用于输送液体的阀装置（100），其带有壳体（110）、可偏移地设置在壳体（110）的阀针腔（113）中的阀针（120）和用于该阀针（120）的传动机构（200），其中，该传动机构（200）包括电的传动组件（210），该电的传动组件引起阀针（120）的直接偏移。该传动机构（200）还包括液压的传动组件（220），该液压的传动组件可附加于电的传动组件（220）被激活且引起阀针（120）的弹道式的偏移。

Description

带有直接传动件和伺服传动件的喷射阀

本发明涉及一种用于输送润滑液体和非润滑液体的阀装置，其特别是应用在内燃机中的燃料喷射领域。根据本发明，该阀装置具有两级的传动机构，该传动机构既包括电的直接传动件，又包括液压的伺服传动件。在这里，在需要较大的阀针行程时，除了直接传动件外还接通伺服传动件。

背景技术

阀装置用于输送或分布各种不同的液体。这种阀装置例如可以是所谓的喷射阀，其中借助阀针非常精确地控制喷射喷嘴的开度。因而可以借助于现代的喷射阀甚至精确地配给极少量的液体。例如在内燃机中就需要这种精度，其中借助于相应的燃料喷射器把燃料在高压下喷入到燃烧室中。在此，燃料输送必须按精确地规定的量在规定时刻进行。为了调整（Konditionierung）燃烧过程，现代的内燃机的的燃料喷射阀通常进行多次喷射，其中根据喷射阶段来改变所用的燃料量。因而在预先喷射时通常喷射相对少量的燃料，而在主要喷射时把相对大量的燃料输入到燃烧室中。

在内燃机中在燃料喷射的各个阶段所需要的燃料量的波动幅度（Bandbreite）是设计合适喷射阀的重要标准。因此，被设置用于移动阀针的传动机构例如必须被设计得足够大，以便保证在主要喷射期间所需的最大针行程。另一方面，还必须能够足够快速且精确地控制阀针，以便能在预先喷射期间最佳地喷射少量的或极少量的燃料。

通常用于使阀针偏移的传动机构因而具有电的传动件，比如压电的或电磁的执行件。按照这种传动方案，执行件用作直接传动件，其中阀针由于与传动件的构件机械地接触而在执行件偏移或延展之后紧接着就偏移离开其关闭位置。因此，直接传动件特别是与闭环控制相结合地能实现特别快的开关时间和精确的控制。然而，由此可实现的开关行程却局限于执行件的最大偏移。其对于压电堆来说例如仅约为60-70微米。而如此小的针行程不利于输送大量液体。为了克服该缺点，需要繁琐地构造直接传动件，这特别还体现在高昂的制造成本上。

为了实现较大的阀针行程，也可以使用液压的传动机构。按照这种传动方案，利用阀装置内部的不同的压力状况来产生能引起阀针偏移的液压力。对于例如借助伺服阀控制的液压驱动件来说，阀针在弹道飞行（ballistisch Flug）中进行偏移，由此可以实现相比于电的直接传动件明显较大的针行程。但由于阀针间接地对控制做出响应，按照这种传动方案，闭环控制的可行性以及对极少量液体的精确喷射明显受限。

发明内容

本发明的目的因此是，提出一种用于输送液体的阀装置传动方案，其既能实现精确地分布少量液体，又能实现用于输送大量液体的较大的阀针行程。该目的通过根据权利要求1的阀装置得以实现。本发明的其它有利的设计在从属权利要求中给出。

本发明的用于输送液体的阀装置具有壳体、可偏移地设置在壳体的阀针腔中的阀针以及用于该阀针的传动机构。在此，该传动机构包括电的传动组件以及液压的传动组件，该电的传动组件引起阀针的直接偏移，该液压的传动组件可附加于电的传动组件被激活且引起阀针的弹道式的偏移。在该传动机构中把这两种传动方案组合起来，由此可以利用两种传动件的优点。因此，用作直接传动件的电的传动组件允许在喷射少量液体时非常精确地控制阀针。直接传动件由于阀针的快速的响应特性也能与闭环控制相组合，由此能提高阀针控制的精度。而借助于液压的传动组件则能实现阀针的相对大的偏移，进而实现例如在主要喷射期间喷射大量液体。两种传动方案的组合还随之引起制造成本的降低，这是因为仅需一个较短的压电堆。

在本发明的第一实施方式中规定，传动机构经过设计，从而利用电的传动组件来引起对液压的传动组件的激活。由此可以实现自动地激活液压的传动组件。由于在这种情况下两种传动方式即“单纯的电工作”和“混合式工作”仅借助用于控制电的传动组件的机构来控制，因而能实现简化的进而也成本低廉的构造。

在另一实施方式中规定，液压的传动组件是伺服阀，其把阀针腔与低压通道连接起来，其中伺服阀包括阀部件，通过电的传动组件的偏移，该阀部件从关闭位置过渡到打开位置。这种伺服阀允许相对大的针行程。通过电的传动组件的偏移直接地激活阀部件，这允许实现特别简单地自动地激活液压的传动组件。

另一实施方式规定，电的传动组件的偏移在超过激活阈限之后才导致液压的传动组件的激活，其中该激活阈限由在从电的传动组件到阀部件的机械的传递路径上的公差规定。确定公差就能以特别简单的方式确定最大的针行程，可以在不接通液压传动件情况下借助电的传动组件来引起该针行程。

在另一实施方式中规定，从电的传动组件到阀部件的机械的传递路径包括至少一个机械的传递部件，借助于该传递部件把电的传动组件的偏移传递到液压的传动组件的阀部件上。使用机械的传递部件允许最佳地把电的传动件的移动传递到阀部件上，进而允许阀部件的打开动作。另外，对于机械的传递部件来说，可以特别轻易地实现公差，所述公差能实现在经过规定的针行程之后才激活液压的组件。

另一实施方式规定，传递部件为销状。这允许直接地进而简单地把电的传动件的移动传递到阀部件上。

另一实施方式规定，机械的传递路径包括把柄形的传递部件，该传递部件通过销状的传递部件来操纵。借助于把柄形的传递部件能把电的传动组件的偏移任意地转变成用于激活阀部件的移动。移动方向尤其可以逆反，从而阀部件与电的传动组件的偏移方向相逆地打开。

另一实施方式规定，在两个传递部件之间设有公差，该公差能实现使得阀针在不对液压的传动组件进行激活情况下偏移规定的路程。由此能以简单的方式实现自动地激活液压的传动组件，从规定的针行程起，也就是在超过激活阈限之后才进行所述自动激活。

根据另一实施方式，电的传动组件包括压电部件，该压电部件在施加电压时引起所希望的偏移。这种压电部件具有快速的响应特性，因而它能特别是与合适的控制相组合地最佳地用于精确地控制阀针。这尤其有利于喷射极少量的液体。此外，压电部件可以相对成本低廉地制得。

在另一实施方式中规定，电的传动组件借助闭环控制来工作。由此能明显地提高阀针控制精度。

最后，另一实施方式规定，阀装置是用于把燃料喷入到内燃机燃烧室中的喷射阀。基于两种传动方案的组合特性，本发明的阀装置特别适合于在内燃机中进行预先喷射和主要喷射。就喷射阀而言，组合传动的相对于单纯的电工作较大的针行程还能实现有利的喷嘴针角度，这能对燃烧参数产生积极影响。

下面参照附图详述本发明。其中：

图1示出被构造成喷射阀的阀装置，其带有本发明的传动机构；

图2示出图1的喷射阀装置的传动机构，其处于静止位置；

图3示出图2的传动机构，其带有借助直接传动件略微偏移的阀针；

图4示出在弹道飞行中带有阀针的处于伺服运行中的图2和3的传动机构；

图5为时间曲线图，其中示范性地示出本发明的喷射阀的喷射过程，其包括预先喷射和主要喷射。

图1示出本发明的用于输送润滑液体和非润滑液体的阀装置100。这里所示的阀装置优选是用于汽车内燃机的燃料喷射阀。该喷射阀100包括壳体110。通常多组件地构造的该壳体包括上面的和下面的壳体部分111、112，其中可以根据应用来改变壳体的划分情况。阀装置100还包括在壳体110内部设置在阀针腔113中的阀针120。阀针120控制设置在壳体110的下面部分中的喷射喷嘴（这里未示出），利用该喷射喷嘴把处于高压下的燃料输出到燃烧室中。在此，通过在壳体110中延伸的高压通道116进行燃料输送。

阀针120在轴向方向上可移动地安置，且通常包括杆状区段121，在该区段的下端构造有阀针尖端125，该阀针尖端用作打开喷射喷嘴的封闭部件。为了保证喷射阀完全关闭，阀针120通常借助弹性力保持在其阀座中。为此在本例中设置有螺旋形的压缩弹簧130，该压缩弹簧安装在由阀针腔113的一部分构成的弹簧腔150中。装设在凸缘形阀针部分124上的压缩弹簧130对阀针120施加向下朝向的压力。为了打开喷射阀，阀针120因此克服压缩弹簧130的弹性力向上偏移。为此设置有传动机构200，其优选内置在阀装置100的壳体110中。传动机构200包括用作直接传动件的电的传动组件210。为此主要考虑采用任何合适的靠电工作的执行器，其借助电信号比如电流或电压脉冲来控制。因而在喷射阀中常常使用由压电材料构成的执行器，其中，施加于其上的电压的变化导致延展或收缩。这种压电执行器通常被制成所谓的压电堆，其由多个上下布置的压电层构成。此外还使用电磁执行器，其中，通过施加相应的电流脉冲来引起所希望的偏移。

在当前情况下，电的传动组件由压电堆210构成。安装在内部壳体腔中的压电堆210为柱形结构，且具有用于容纳阀针120的杆状部分121的中央孔211。如图1中所示，压电堆210并不完全充满内部壳体腔，由此在压电堆210上方形成用于容纳阀针120的盘状结构121的压力腔114。在这里，盘状结构121形成阀针120的上面的终止件，并与在孔211内部伸展的杆状阀针部分121连接。在柱形压电堆210上靠置有盘状的用于支撑阀针盘121的环形部件212。在压电堆210延展时，阀针盘122被设置在其下面的环形部件212带动，由此使得阀针120克服压缩弹簧130的力发生偏移，并打开喷嘴开口。在此，由于在偏移期间压电堆210、环形部件212和阀针盘122之间的机械接触，阀针120对压电堆210的移动直接做出反应。由此特别是与闭环控制相组合地能实现快速且精确地控制阀针120。但在单纯的直接传动中阀针120的偏移受压电堆210的最大偏移的限制。

本发明的传动机构200因此附加地还具有液压的传动件220，该传动件在当前情况下是把压力腔114与低压通道117连接起来的伺服阀。在此，伺服阀220包括锥形的阀部件221，该阀部件把在压力腔114的上面的顶盖部件中的同样锥形的阀开口封闭。为了打开伺服阀220，采用设置在低压通道117的旁侧腔118中的弧形把柄部件223，该把柄部件装设在阀部件221上，并借助销状的传递部件213来操纵。销状的传递部件213穿过压力腔114的上面的顶盖部件的孔布置，并以其下面的端部靠置在环形部件212上。为此在阀针120的盘状终止部件122上开设出相应的开口，该开口带有足以用于销状传递部件213的公差。两个传递部件213、223在此经过优选设计，使得它们在阀装置200的关闭状态下不接触，从而在经过由它们的间隔件214规定的路程之后才对弧形传递部件223进行操纵。由此保证在超过激活阈限之后，也就是说，从借助压电堆210实现阀针120的较大的偏移起，才激活液压的传动组件220。借助于在两个传递部件213、223之间形成的间隙214，由此实现液压传动组件220的激活阈限。在这里，间隙宽度决定了在不接通液压传动件220情况下所能达到的最大阀针行程。但也可以在从电的传动组件210到阀部件221的包括两个传递部件213、223在内的机械传递路径的其它点，借助相应的公差来实现相应的激活阈限。

下面详细介绍本发明的阀装置的工作方式。对此，图2示出了图1的传动机构200的一部分。为了保证阀针在喷射阀的关闭状态下密封地封闭喷嘴开口，阀针120的盘状终止部件122并不直接靠置在环形部件212上。更确切地说，两个部件被一个小间隙彼此隔开，由该间隙规定了所谓的空行程。在经过该空行程之后，两个部件才相互接触（这里未示出）。图2示出了起始状况，在这种状况下，利用压缩弹簧130的力把阀针120压入到阀座中，喷射喷嘴由此保持封闭。由于整个阀针腔113与高压通道116液压地连通，此时也在压力腔114中产生高的燃料压力。由于伺服阀220也仍然关闭，在整个压力腔114中的也就是在阀针120的盘状终止部件122的上方和下方的压力情况基本平衡。

在本例中对压电堆施加相应的电压，由此对直接传动件进行控制，从而使得压电执行器210朝向阀针盘122延展。在经过空行程后，环形部件212带动阀针盘122，这导致阀针120偏移离开其静止位置。图3中示出了相应的状况。在此可看到，阀针120的小偏移使得两个传递部件213、223之间的间隙宽度214减小，而并不激活伺服阀220。因此可以对压电堆210施加相应小的电压，由此实现精确地打开喷射阀，以便例如在预先喷射期间把极少量的燃料喷入到燃烧室中。

相反，如果在直接传动件210上施加足够大的电压，则通过压电堆的相应大的延展就会使得两个传递部件213、223出现接触，接下来伺服阀220激活，其中借助把柄223将锥形的阀部件221提升离开其阀座。这种状况在图4中示出。打开伺服阀220，在压力腔114的上面的部分中就会出现突然的压力下降，因为在这里，同经由与高压通道116的连接进行的跟进流动（nachfließen）相比，处于压力下的液体经由伺服阀220和低压通道117更快地排泄。由于此时在压力腔114的下面的部分中基本上仍产生高压，所以在压力腔114的上面的部分中的突然的压力下降引起沿压降方向作用到阀针盘122上进而作用到整个阀针120上的力。在由此引发的阀针120的第二传动阶段中，阀针盘122提升离开环形部件212，并与整个阀针120一起在弹道飞行中历经与相应的液压参数相关的路程。在弹道飞行阶段期间阀针120的明显较大的偏移使喷射喷嘴产生相应大的开度，由此输送更大量的液体。因此，这种液压辅助的工作模式特别好地适用于在内燃机的主要喷射阶段期间进行燃料喷射。

一旦压力腔114内部的压力状况通过液体的跟进流动而基本平衡，阀针就被压缩弹簧130朝向阀开口方向压回，于是喷射阀再次关闭。该过程受伺服阀220的提前关闭影响，这可以通过压电堆210的相应的收缩而引起。在这里，阀部件221被在压力腔114与低压通道117之间产生的压差又压到其阀座中，由此使得经由低压通道117发生的压力下降突然结束。在此，可以借助弹簧部件来辅助关闭过程，该弹簧部件把阀部件221压入其阀座中（这里未示出）。

图5示出本发明的阀装置100的另一种替代的设计，据此，一旦阀针120的偏移超过了规定的针行程，阀针120也在液压辅助下过渡到弹道飞行中。在这里，电的传动组件210与图1-4的相应的传动组件基本类似地设计。但与前面的附图所示的实施例不同的是，这里所示的喷射阀200的伺服阀经过适当布置，使得阀部件221的打开现在沿压电堆210的延展方向进行。压电部件210的偏移由此可以通过简单的销状的传递部件224直接传递到阀部件221上。如图5中所示，传递部件224在此并不直接靠置在环形部件214上。在两个部件212、224之间规定的间隙214相应地决定了激活阈限，即阀针120在无液压传动组件220的辅助情况下仅借助直接传动件210所能偏移的最大路程。在达到激活阈限时，环形部件212与传递部件224出现接触，这在压电堆210进一步偏移时导致阀部件221提升离开其阀座。由此通过通道119和伺服阀220与第一实施例类似地使得压力腔114与低压通道117产生液压连接。

图6示出一种可能的喷射过程，在该过程中，多次独立喷射地借助本发明的喷射阀把燃料喷入到内燃机的燃烧室中。在此，为了调整内燃机，在主要喷射之前进行的预先喷射过程中，已经喷入少量的或极少量的燃料301。在此，优选在单纯的电工作中进行极少量喷射，其中阀针仅通过直接传动件进行偏移。为此仅略微控制压电执行器，使得其小偏移尚未导致伺服阀激活。相反，在随后的主要喷射阶段期间对压电执行器施加相对大的电压，以便通过压电执行器的相应大的偏移来实现伺服阀的激活。在激活伺服阀之后，阀针在弹道飞行中实现较大的针行程，这在明显较大的喷射量302中可看出来。

在主要喷射之后还可以进行所谓的过后喷射，以便提高用于废气再处理的废气能量含量。由于在过后喷射时同样仅把很少量的燃料喷入到燃烧室中，所以在这种情况下仅借助直接传动件打开喷射阀就足够了。

参照附图所述的实施方式仅是本发明的优选的或有利的设计。除了所述的和所示的实施方式外，还可以考虑其它能包括其它变型以及特征组合的实施方式。这里结合燃料喷射公开的阀装置特别是也可以用于输送或配给其它润滑的或非润滑的液体。

Claims (11)

1. 一种用于输送液体的阀装置（100），带有壳体（110）、可偏移地设置在壳体（110）的阀针腔（113）中的阀针（120）和用于该阀针（120）的传动机构（200），其中，该传动机构（200）包括电的传动组件（210），该电的传动组件引起阀针（120）的直接偏移，

其特征在于，

该传动机构（200）还包括液压的传动组件（220），该液压的传动组件可附加于电的传动组件（220）被激活且引起阀针（120）的弹道式的偏移。

2. 如权利要求1所述的阀装置（100），其特征在于，传动机构（200）经过设计，从而利用电的传动组件（210）来引起对液压的传动组件（220）的激活。

3. 如权利要求1或2所述的阀装置（100），其特征在于，液压的传动组件（220）是伺服阀，该伺服阀把阀针腔（113）与低压通道（117）连接起来，其中伺服阀（220）包括阀部件（221），通过电的传动组件（210）的偏移，该阀部件可从关闭位置过渡到打开位置。

4. 如权利要求3所述的阀装置（100），其特征在于，电的传动组件（210）的偏移在超过激活阈限之后才导致液压的传动组件（220）的激活，其中该激活阈限由在从电的传动组件（210）到阀部件（221）的机械的传递路径上的公差（214）规定。

5. 如权利要求3或4所述的阀装置（100），其特征在于，从电的传动组件（210）到阀部件（221）的机械的传递路径包括至少一个机械的传递部件（213、224、232），该传递部件把电的传动组件（210）的偏移传递到液压的传动组件（220）的阀部件（221）上。

6. 如权利要求5所述的阀装置（100），其特征在于，传递部件（213、224）为销状。

7. 如权利要求6所述的阀装置（100），其特征在于，机械的传递路径包括把柄形的传递部件（223），该传递部件通过销状的传递部件（224）来操纵。

8. 如权利要求7所述的阀装置（100），其特征在于，在两个传递部件（223、224）之间设有公差（214），该公差能实现使得阀针（120）在不对液压的传动组件（220）进行激活情况下偏移规定的路程。

9. 如前述权利要求中任一项所述的阀装置（100），其特征在于，电的传动组件（210）包括压电部件，该压电部件在施加电压时引起所希望的偏移。

10. 如前述权利要求中任一项所述的阀装置（100），其特征在于，电的传动组件（210）借助闭环控制来工作。

11. 如前述权利要求中任一项所述的阀装置（100），其特征在于，阀装置（100）是用于把燃料喷入到内燃机燃烧室中的喷射阀。

Images