CN103210190B - 喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷射装置(2)，它尤其是用于将流体喷射到内燃机的排气系统内，所述喷射装置具有一个阀单元，所述阀单元具有一个阀针(6)、一个具有至少一个喷射开口(8)的喷射室(38)和一个控制室(36)，其中，所述喷射装置(2)被这样地构造，使得所述喷射室(38)和所述控制室(36)之间的压差引起所述阀针(6)在打开位置和关闭位置之间运动，在所述打开位置中，所述阀针(6)释放通过所述喷射开口(8)的流体流，而在关闭位置中，所述阀针(6)封闭所述喷射开口(8)。所述喷射装置也具有一个集成到所述喷射装置(2)内的泵单元。所述泵单元被构造用于从流体入口(32)抽吸流体并且在升高的压力下提供给所述阀单元。

Description

喷射装置
技术领域
本发明涉及一种用于流体的喷射装置，尤其是用于将流体喷射到内燃机的排气系统中。
背景技术
对内燃机、尤其是用于驱动车辆的内燃机的废气质量的要求近年来不断增加。NOx排放主要对于柴油机是个问题，借助所谓的SCR-催化器抑制该问题。在SCR-催化器中，对环境有害的NOx借助通常以含水尿素溶液的形式送到催化器中的NH3转化成N2和H2O。
为了将尿素溶液送到内燃机的废气中，需要一种配量系统，该配量系统通常包括电驱动的泵和电控制的配量泵。这种已知的配量系统在生产、安装和维护时费劲且昂贵。
EP1878920A1公开了一种液体泵，该液体泵具有入口、出口、用于接纳流体的泵室以及致动器，该致动器可在第一位置和第二位置之间运动，并设置成将液体从泵室泵送到出口内。当致动器处于第一位置时，入口和出口与供给通道流体连通。供给通道围绕致动器延伸，以使热量能从致动器传递到液体。
US2007/0295003A1描述了一种高压配量泵，该高压配量泵设置成向废气减少系统提供还原剂。高压配量泵具有电磁体以驱动活塞，该活塞设置成在泵的阀壳体的内孔中可动。内孔具有压力室，该压力室具有入口单向阀和出口单向阀。活塞的运动使还原剂在高压下馈送到喷射喷嘴。喷射喷嘴设置在使废气中的不期望的有害物质最大程度地减少的位置。
发明内容
本发明的任务是提供一种改善的配量系统，该配量系统可以有效地喷射流体并且低成本地生产、安装和维护。
该任务通过用于根据独立权利要求1的配量系统的根据本发明的喷射装置来解决。从属权利要求描述根据本发明的喷射装置的有利设计方式。构造成尤其是用于将流体喷射到内燃机的排气管内的根据本发明的喷射装置包括阀单元，该阀单元具有阀针(喷嘴针)、控制室和具有至少一个喷射开口的喷射室。喷射装置被构造成通过喷射室和控制室之间的压差使阀针在打开位置和关闭位置之间运动，在打开位置中阀针释放通过喷射开口的流体流，而在关闭位置中阀针封闭喷射开口。
此外，泵单元集成到喷射装置内，该泵单元构造成从流体入口抽吸流体，并且在升高的压力、即高于流体入口内压力的压力下递送到阀单元。在打开的阀单元中，压力高于流体入口内压力的流体从喷射装置喷出。
在一种实施方式中，阀单元和泵单元设置在共同的壳体内。这使喷射装置的结构特别紧凑。在产生压力的泵单元与阀单元之间的管路路径比具有外置的泵单元的传统结构短，并且完全在喷射装置的内部延伸，这些管路路径内的流体在运行时处于升高的压力下。流体从喷射装置不受控地流出(泄漏)的危险减少，并改善系统的液压稳定性。
根据本发明的喷射单元使得在打开过程中使阀针快速卸压，因而，可实现较短的开关时间和可能的喷射量的较大的带宽。
喷射装置的减小的结构尺寸使在安装在例如排气系统上时的可变性增大，并在设计流体箱时加大自由空间；尤其是喷射装置的结构尺寸减少可以加大流体箱的可用容积。
根据本发明，所需的喷射压力在喷射装置内自行产生。可以取消(高压)馈送管道，流体在该馈送管道内处于增加的压力下，且因此特别稳定地构造，但易受干扰和泄漏。这提高了喷射系统的运行可靠性。
根据本发明的喷射装置在运行时对电压和功率的需求较小，并且使得用于多种应用场合的统一设计成为可能。
在一种实施方式中，阀单元具有控制室，该控制室受阀针的端部限制，其中，控制室的容积通过阀针的运动可变，或者阀针通过控制室内的压力变化而运动。这种结构使得可以通过控制室内的流体压力的变化来控制阀针。可以取消用于控制阀针的机械致动器。这简化了喷射装置以及尤其是阀单元的结构。
在一种实施方式中，控制室与馈送管道液压相连，流体在运行时通过该馈送管道馈送到喷射装置。在控制室内产生与馈送管道内相同的流体压力，且阀针通过控制室内的流体压力而按压到封闭位置，在该封闭位置，阀针防止流体从喷射装置流出。阀单元在运行时通过流体压力可靠地封闭，而无需附加的致动器。
在一种实施方式中，泵单元具有活塞室和在活塞室内运动的活塞。在此，活塞设置成和构造成使活塞室的容积或活塞室内的压力通过活塞的运动而变化。通过活塞室和运动的活塞的这种组合提供可靠和有效的泵单元，该泵单元适于提高待喷射的流体的压力。
在一种实施方式中，活塞室通过例如构造成止回-球阀的单向阀与入口液压相连。单向阀阻止流体从活塞室流回到馈送管道内，并且在此通过活塞室内的活塞的运动所建立的升高压力通过流体从活塞室流到馈送管道内而卸去。
在一种实施方式中，活塞和阀针沿共同轴线可动。活塞和阀针沿共同轴线可动的喷射装置特别简单、节省空间和构造起来成本低。尤其是，这种喷射装置能沿圆柱形壳体的纵向来构造，其中，活塞和阀针构造成圆柱形，并可与圆柱的轴线平行地运动。这种构造成圆柱形的喷射装置特别耐久和简单，并且构造起来成本低。
在一种实施方式中，活塞通过对设置在喷射装置内的电磁体进行通电来运动。电磁体提供简单、低成本和可靠的、用于使活塞运动的致动器。替代地，致动器可构造成压电致动器。
在一种实施方式中，活塞由弹性的活塞-弹簧元件来支承，该活塞-弹簧元件沿初始位置的方向推动活塞。这种弹性活塞-弹簧元件使得可以确保活塞在电磁体不工作时可靠地运动到初始位置。
在一种实施方式中，阀针通过弹性的阀针-弹簧元件如此支撑在喷射装置的壳体上，即，弹性的阀针-弹性元在电磁体不工作、即不通电时将阀针压到封闭位置，并在电磁体不工作时可靠地封闭阀单元。
附图说明
下面根据附图进一步阐述本发明。
附图示出
图1是在抽吸过程中的、根据本发明的喷射装置的实施例的第一剖视图；
图2是在喷射过程中的、根据本发明的喷射装置的第二剖视图；以及
图3是根据本发明的喷射装置的放大示意剖视图，尤其是示出具有衔铁和所围绕的电磁体的活塞的上部区域。
具体实施方式
如“上方”和“下方”的表述在下述附图说明中用于更好地阐释本发明的在附图中所示的实施例，而不是将本发明限制于所示的实施例或一定的定向和/或安装位置。
图1是在抽吸过程中的根据本发明的喷射装置2的第一剖视图。
根据本发明的喷射装置2具有构造成例如圆柱形的喷嘴本体4，沿该喷嘴本体的纵向轴线A例如构造有大致圆柱形的喷射室38。在喷射室38的在图1中下方示出的端侧端处构造有喷射开口8，在喷射过程中，流体通过该喷射开口从喷射室38流出。在横向于喷嘴本体4的纵向轴线A的平面内，喷射室38的与喷射开口8邻接的下方区域的横截面比喷射室38的离喷射开口8距离更大的上方区域的横截面小。
在喷射室38中设置有构造成大致圆柱形的阀针6，该阀针的纵向轴线构造成沿喷射本体4的纵向轴线A定向。阀针6构造成以圆锥形下方区域6a和多个圆柱形区域6b,6c,6d,6e来分级变化，其中，圆柱形区域6b,6c,6d,6e在横向于阀针6的纵向轴线A的平面内的横截面越大，则它离下方圆锥形区域6a的距离就越大。
阀针6沿它的纵向轴线A在封闭位置和打开位置之间运动，在封闭位置，阀针6的下端部6a与阀座8a接触，并基本上不透流体地密封喷射开口8，而在打开位置，阀针6释放喷射开口8。
圆柱形控制室套筒16围绕阀针6的背向喷射开口8的上方区域的圆周设置。在控制室套筒16内、在阀针6的上方端侧端6b上方构造有控制室36，该控制室的容积通过阀针6沿与其纵向轴线A平行的方向的运动而可变化。反过来，阀针6可通过喷射室38内的压力和控制室36内的压力之间的压差与其纵向轴线A平行地运动。
在背向阀针6的上侧，控制室36由控制板18来限定。控制板18通过在图1中未示出的安全销(防错(Poke-Yoka)销)46和围绕喷嘴本体4和控制板18的喷嘴紧固螺母10固定到喷嘴本体4。
在阀针6的沿纵向的中间区域6e内、围绕阀针6的圆周构造有支承环12。在支承环12和控制室套筒16之间、围绕阀针6的圆周设置有圆柱形阀针-弹簧元件14，该弹簧元件以它的两个端侧一方面支撑在控制室套筒16上，另一方面支撑在支承环12上。阀针-弹簧元件14将阀针6弹性压到下封闭位置中，在该下封闭位置，阀针6基本上不透流体地封闭喷射开口8。
在控制板18内，流体通道33构造有单向阀20，该单向阀例如构造成球阀或止回阀。对于打开的单向阀20来说，控制室36通过流体通道33与活塞室34液压相连，该活塞室34构造成在控制板18内的单向阀20上方。
活塞室34的容积在背向单向阀20那侧由可动活塞28限定，该活塞设置在活塞室34上方并通过活塞弹簧元件40弹性地支撑在控制板18上。活塞室34的容积通过活塞28沿与纵向轴线A平行的方向运动而可变化。
在弹性活塞弹簧元件40的朝向阀针6的下端侧端与控制板18之间设置有调节盘22。活塞28的行程通过选择调节盘22的厚度可调。
围绕活塞28的圆周构造有金属内极24和线圈30，金属内极和线圈一同构成适于使活塞28运动的电磁体。在活塞28的背向控制板18的上方区域处，围绕活塞28的圆周构造有衔铁26。当电流流经线圈30时，衔铁26被内极24吸引。
在抽吸过程中(“抽吸行程”)，如图1中所示，活塞28在线圈30不工作时、即当没有电流流经线圈30时在由弹性活塞弹簧元件40施加的力的作用下沿与纵向轴线A平行的方向离开控制板18运动，因而，活塞28与控制板18之间的距离变大。活塞室34的容积变大，流体从入口32流经控制室36、流体通道33和打开的单向阀20而流入活塞室34。
通过与入口32相连的控制室36内的流体压力和阀针-弹簧元件14的弹性力的共同作用，阀针6被压到下封闭位置，在下封闭位置，阀针6的下端部6a不透流体地封闭喷射开口8，且没有流体能从喷射室38通过喷射开口8流出。
图2示出如喷射装置在图1中所示、在绕喷射装置2的纵向轴线A转过90度的平面内的、根据本发明的喷射装置2的剖视图。
已在图1中示出的结构元件设有相同的附图标记，并且不再重新详细说明。
在图2中所示的第二剖视平面中不可以看到入口32。为此，在该平面内可看出构造在控制板18内的连接通道48，该连接通道使活塞室34与喷射室38液压相连。连接通道48构造成可使活塞室34和喷射室38之间的流体流与单向阀20是否打开或关闭无关。
此外，在图2中可看出已与图1结合提及的安全销46，控制板18通过该安全销固定在喷嘴本体4上。
为了触发喷射过程，将电压施加于线圈30，以使电流流经线圈30。衔铁26由通过电流在线圈内产生的电磁场沿内极24的方向被吸引，与衔铁26连接的活塞38向着控制板18的方向运动(“压缩或喷射行程”)。
通过使活塞28向着控制板18方向的运动，活塞室34的容积减小，且活塞室34内的流体压力提高。单向阀20关闭并阻止流体从活塞室34回流到入口32内。流体通过连接通道48从活塞室34流入喷射室38内，并在喷射室内升高流体压力。
一旦超过喷射室38内的流体压力的一定临界值，控制室36内的流体压力和阀针-弹簧元件14不再够使阀针6抵抗流入喷射室38的流体的压力而保持在封闭位置，该压力作用于阀针6的区域6a,6c,6d,6e，并且尤其是在区域6a,6c,6d,和6e之间的过渡区域处产生指向控制室36方向的力。阀针6抵抗控制室36内的流体压力从封闭位置运动到打开位置，阀针6的下方区域6a与阀座8a脱开并释放喷射开口8。
通过阀针6的打开运动从控制室36被排出的流体流回到入口32内，以使控制室36内的流体压力不大幅升高。阀针6由此特别快地从它的阀座8a升高，并释放喷射开口8。
处于升高压力下的流体通过打开的喷射开口8从喷射室38流出(喷射过程)，直至喷射室38内的流体压力降低到它不再能使阀针6抵抗控制室36内的流体压力和阀针-弹簧元件14的力的组合而保持在打开位置为止。阀针6在控制室36内的流体压力和阀针-弹簧元件14的力的作用下又运动到下封闭位置，在下封闭位置，阀针6的下端部6a压抵阀座8a，并封闭喷射开口8。
通过切断流经线圈30的电流使电磁体不工作，活塞28在活塞-弹簧元件40的影响下又沿使活塞28与控制板18的距离和活塞室34的容积增大的方向运动(参见图1，“抽吸行程”)。单向阀20打开，且流体从入口32流入活塞室34。
通过向线圈30重新供给电压，现在可以如前所述那样触发另一喷射过程。
接下来，参照图3示例性地描述压力单元以及尤其是电磁体的线圈30的可能尺寸设计，以产生前述喷射压力。
在流体入口32内的压力为7巴的情况下，例如应产生9.5巴的喷射压力，因而，通过压力单元产生2.5巴的附加压力。
假定活塞28的直径DK为9毫米，即活塞的圆形端面A的尺寸为AK＝19.63平方毫米，则产生施加于活塞28上的力为
FK＝Δρ*AK＝2.5巴*19.63平方毫米＝4.9N
该力F作为电磁力施加，该力通过线圈28作用于衔铁26。
Fm＝B2*AA/8π.
假定通过线圈28产生的磁场强度为B＝1.8T，则衔铁的所需面积AA为：
AA＝8π*Fm/B2≈4.5平方毫米。
假定压到活塞28上的衔铁26的有效面积具有dA＝7mm的内直径，则衔铁26的所需外直径DA为：
D A 2 = A A / 4 π + d A 2
DA≈7.5mm
假定安匝数θ为150Aw且通过线圈28的最大电流为i最大＝2.2A，
N＝θ/i最大≈68
得到线圈28的绕圈数。
如果线圈28采用直径dD为0.45的线圈，且线圈28为6层且每层约12圈，则对于线圈内直径dSp为约5.5毫米，线圈长度则为约2.5米。
通常用于这种线圈的这种长度的电线在20℃的温度下具有约5.5Ω的电阻。对于16V的供电电压可得出，如下的电流i
i＝U/R≈2.9A
必须流经线圈30，以产生期望的9.5巴的喷射压力。

Claims (7)

1.喷射装置(2)，所述喷射装置具有：
一个阀单元，所述阀单元具有一个阀针(6)、一个具有至少一个喷射开口(8)的喷射室(38)和一个控制室(36)，
其中，所述喷射装置(2)被这样地构造，使得所述喷射室(38)和所述控制室(36)之间的压差引起所述阀针(6)在打开位置和关闭位置之间运动，在所述打开位置中，所述阀针(6)释放通过所述喷射开口(8)的流体流，而在关闭位置中，所述阀针(6)封闭所述喷射开口(8)，
和一个集成到所述喷射装置(2)内的泵单元，所述泵单元被构造用于从流体入口(32)抽吸流体并且在升高的压力下提供给所述阀单元，其中，所述泵单元具有活塞室(34)和可动的活塞(28)，并且所述活塞室(34)的容积能通过所述活塞(28)的运动而变化，其特征在于，所述活塞(28)能通过使电磁体的线圈(30)通电或者借助于压电致动器来运动，其中，所述活塞室(34)通过单向阀(20)和所述控制室(36)与流体入口(32)液压相连，所述单向阀阻止流体从所述活塞室(34)回流到所述流体入口(32)内并且所述单向阀(20)设置在所述活塞室(34)和所述控制室(36)之间。
2.如权利要求1所述的喷射装置(2)，其特征在于，所述阀单元和所述泵单元设置在一个共同的套筒体内部。
3.如权利要求1或2所述的喷射装置(2)，其特征在于，所述控制室(36)通过所述阀针(6)的一个端部限界，并且所述控制室的容积能通过所述阀针(6)的运动而变化。
4.如权利要求3所述的喷射装置(2)，其特征在于，所述控制室(36)与所述流体入口(32)液压相连。
5.如以上权利要求中任一项所述的喷射装置(2)，其特征在于，所述活塞(28)和所述阀针(6)能沿共同轴线运动。
6.如以上权利要求中任一项所述的喷射装置(2)，其特征在于，所述活塞(28)通过弹性元件(40)可动地被支撑。
7.如权利要求1所述的喷射装置(2)，其特征在于，所述喷射装置(2)是用于将流体喷射到内燃机的排气系统内的喷射装置。
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