CN103261659B - 燃料喷射装置、活塞式发动机和操作活塞式发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于活塞式发动机的燃料喷射装置（20），所述燃料喷射装置包括燃料喷射器主体（25），在喷射器主体中设置有喷射器针（40），喷射器针布置成基于其位置阻止或允许燃料从喷射装置喷射，所述位置受加压控制流体（63）的影响，使得能通过施加加压控制流体而将针（40）推向其关闭位置并且能通过减少加压空间流体而允许针离开其关闭位置，喷射装置还包括用于控制流体的流路（80、75、69、85、90、71），其中用于控制流体的流路包括对控制流体的流动提供限制作用的限制部分（71、69）。限制部分（71、69）包括提供与温度有关的限制作用的至少一个受温度影响的构件（65、71）。本发明还涉及活塞式发动机和操作活塞式发动机的方法。

Description

燃料喷射装置、活塞式发动机和操作活塞式发动机的方法

技术领域

本发明涉及用于内燃活塞式发动机的燃料喷射装置以及燃料喷射速率成形。本发明还涉及活塞式发动机和操作活塞式发动机的方法。

背景技术

内燃机通常设置有燃料喷射系统，在该系统中燃料的加压和喷射的控制是分开的。在这样的系统中，蓄能器的容积用作加压燃料的存储器，在燃料喷射器中借助阀针完成燃烧室中加压燃料的进入。这些系统通常称为共轨式燃料喷射系统。

供应到喷嘴中的燃料的压力和量对于由燃烧过程产生的燃烧气体的量和质量也具有重要性，该燃烧气体最终载入环境。因此，目的是借助各种相对复杂的电子系统控制进料管线内的燃料流速和压力。

在共轨式系统中，阀针的控制通常通过利用沿打开和/或关闭针的方向作用于该针的表面的燃料压力来完成。在典型的共轨式系统中，喷射压力在阀针开始在喷射器嘴中上升时几乎立即达到高压水平。

因此，燃烧被喷射到燃烧空间中使得质量流从喷射一开始就是非常大量的。在该情况下，汽缸压力可以上升太快以用于获得最佳性能。因此，由喷射压力曲线示出的最大压力（在喷射过程期间在各种时间距下喷嘴中的压力）通常太早达到。另外，喷射压力的减少在下一次喷射开始之前费时。

为了控制压力的增加速率，已知利用借助速率成形装置的所谓的燃料喷射的速率成形。

EP1686257A2公开了一种燃料喷射器，其中借助抵靠针表面将燃料压力提供到打开方向和关闭方向来控制阀针，在该情况下保持针关闭。如果发生喷射，那么沿关闭方向作用于针表面上的燃料压力通过打开喷嘴中回油孔而减轻，这导致力平衡和因此针的运动的变化。EP1686257A2也公开了一种速率成形系统，该系统在喷射事件的初始部分情节限制燃料流量并且在喷射事件的稍后部分期间导致燃料的更大流量。在该装置中，速率成形基于在主燃料管线中设置的限制的变化从而将燃料引向喷射器的囊。

即使该燃料喷射器可以适于同样地使用，也显示出速率成形功能性的更精确的控制。因此本发明的目的是提供用于活塞式发动机的燃料喷射装置，该燃料喷射装置在发动机的各种操作条件下更好地操作。

发明内容

本发明的目的由用于活塞式发动机的燃料喷射装置满足，所述燃料喷射装置包括燃料喷射器主体，在该燃料喷射器主体中设置有喷射器针，所述喷射器针布置成基于其位置阻止或允许燃料从所述喷射装置喷射，所述喷射器针的位置受到加压控制流体的影响，使得能通过施加加压控制流体而将所述针推向其关闭位置，并且能通过减少所述加压控制流体而允许所述针离开其关闭位置，所述喷射装置还包括用于所述控制流体的流路，其中，用于所述控制流体的所述流路包括对所述控制流体流提供限制作用的限制部分。本发明的特征在于，所述限制部分包括提供与温度有关的限制作用的至少一个受温度影响的构件。

因此，所述燃料喷射速率成形可以借助所述限制部分在不同温度下的不同的限制作用来实现。所述限制部分的温度可以通过改变燃料的温度来改变。

根据本发明的实施方式，所述限制部分具有限定用于所述控制流体的所述流路的至少一个表面，并且所述至少一个表面包括至少两个互相协作的受温度影响的构件，所述受温度影响的构件中的第一构件的热膨胀系数不同于所述受温度影响的构件中的第二构件的热膨胀系数。

根据本发明的实施方式，所述第一构件由陶瓷材料制成，并且所述第二构件由钢制成。所述陶瓷材料还提供使用中的改进的耐磨性。

因为所述喷射器针的位置受到加压控制流体的影响，使得能通过施加所述加压控制流体而将所述针推向其关闭位置，并且能通过减小所述加压控制流体而允许所述针离开其关闭位置，用于控制实现速率成形操作可以不会导致实际燃料穿过喷射器流至燃烧室的不利影响。

根据本发明的另一实施方式，所述燃料喷射器主体包括喷射器空间，所述喷射器针布置到所述喷射器空间中，所述喷射器空间设置有燃料入口和位于其第一端处的燃料喷射孔口，燃料可以在所述喷射器针的控制下喷射穿过所述燃料喷射孔口，并且所述喷射器针的第二端布置成限定控制空间的边界，所述控制空间属于供布置所述限制部分用的用于控制流体的流路。

所述控制空间有利地由至少部分地包围所述喷射器针的轴环部限定边界。根据优选实施方式，所述控制空间由至少部分地包围所述喷射器针的端部的轴环部限定边界。所述限制部分包括所述喷射器针和所述轴环部的相对的表面。

有利地，所述轴环部与所述喷射器针由不同的材料制成。

根据本发明的另一实施方式，所述轴环部中布置有单独的控制板，所述控制板设置有孔口，并且所述限制部分包括所述控制板中的所述孔口以及所述阀板的出口通道中的第二收缩部，所述控制板的热膨胀系数不同于所述阀板的热膨胀系数。

还提供了一种具有共轨式燃料喷射系统的活塞式发动机，其中所述共轨式燃料喷射系统包括燃料喷射器主体，在所述燃料喷射器主体中设置有喷射器针，所述针布置成基于其位置阻止或允许燃料从所述喷射器喷射，所述喷射器针的位置受到加压控制流体的影响，使得能通过施加所述加压控制流体而将所述针推向其关闭位置，并且能通过减小所述加压控制流体而允许所述针离开其关闭位置，并且所述喷射装置还包括用于控制流体的流路，所述控制流体的压力状态对所述喷射器针的位置有影响，并且用于控制流体的所述流路包括对控制流体和流动提供限制作用的限制部分。本发明的特征在于，所述限制部分包括在不同温度下提供不同限制作用的至少一个受温度影响的构件。

根据本发明的实施方式，所述活塞式发动机包括在操作上布置在所述燃料喷射装置的附近的冷却系统。

根据另一实施方式，所述冷却系统在操作上布置在所述燃料喷射装置的主体的附近。

本发明还涉及一种操作活塞式发动机的方法，所述活塞式发动机具有共轨式燃料喷射系统，所述共轨式燃料喷射系统包括燃料喷射器主体，在所述燃料喷射器主体中设置有喷射器针，在所述方法中，所述活塞式发动机被操作，使得在起动该发动机之后，从所述发动机的废气测量至少一种预定物质的排放，并且至少直到所述发动机已达到其正常操作温度，再控制所述发动机的所述冷却系统以对燃料和/或燃料喷射装置的温度产生影响，以便控制对控制流体的流动提供与温度有关的限制作用的至少一个受温度影响的构件，从而影响所述喷射器针的位置。

附图说明

在下文中，将参照附随的示例性示意图描述本发明，附图中：

图1示出了本发明的实施方式，

图2示出了根据本发明的实施方式的速率成形功能性的示例，以及

图3示出了本发明的另一实施方式。

具体实施方式

图1示意地示出安装在活塞式发动机的汽缸盖15中的燃料喷射系统10。燃料喷射系统10包括燃料喷射装置20，借助该燃料喷射装置将燃料供给到发动机的燃烧室中。在图1的实施方式中，燃料喷射装置20被结合到燃料喷射器主体25中。燃料喷射装置包括燃料蓄能器空间30，该燃料蓄能器空间与属于燃料喷射系统10的加压燃料源35结合。燃料喷射器主体25设置有燃料空间70，喷射器针40布置到所述燃料空间中。喷射器针40具有位于其第一端的末端45，喷射器针40布置成，借助末端45，通过关闭或打开燃料喷射孔口（图1未示出，图3中示出的46）和燃料喷射器主体25中的燃料空间之间的流动连接来阻止或允许燃料喷射到燃料室中。喷射器针可以由一个或几个连续部件构成，如在图3中具体看到的。在喷射器针的第二端（当针处于图1和图3所示的位置时，该第二端是上端），设置有轴环部65，喷射器针40的第二端延伸到轴环部65中。轴环部65内以及喷射器针上方的空间限定出系统的控制空间63。轴环部具有筒状的内部空间，喷射器针40的第二端具有筒状的外表面，并且它们具有公共中心纵轴。

燃料喷射器主体25内的蓄能器空间30通过布置到该喷射器主体25的主燃料管道50与喷射器中的燃料空间70流动连接。主燃料管道通过入口51通向燃料空间70。还设置有布置到管道50的流保险器（flow fuse）55。该流保险器布置成例如在系统发生故障的情况下仅允许有限量的连续燃料流，从而阻断燃料流动。如从图1看明显的，蓄能器空间30的压力由于主通道50的连接而到达燃料空间70。燃料空间70的上方布置有阀板60。该阀板限定燃料空间70的上部的边界。

阀板设置有连接通道75，该连接通道将主通道50连接至轴环部65内的空间。连接通道75设置有第一收缩部80，该第一收缩部的目的将稍后解释。阀板60附加地设置有出口通道85，该出口通道也通向轴环部65内的空间中。出口通道85设置有第二收缩部90，出口通道85通过该第二收缩部连接至阀构件95。阀构件优选地是开关电磁阀，并且其以可连接的方式使燃料喷射系统10的高压部分30、35、70和低压部分100分离。

轴环部65由针弹簧66压在阀板60上，该针弹簧支承在轴环部65和喷射器针40之间。

燃料喷射系统10被操作成使加压燃料源保持燃料蓄能器空间30填充有预定压力下的燃料。当阀构件（即，螺线管95）打开系统的出口通道85和系统的低压部分100之间的流动连接时，轴环部65内和喷射器针40的第二端上方的室或空间中的压力迅速减小。这可以由于以下事实而发生，第一收缩部80的用于燃料流动的第一区域小于出口通道85中的第二收缩部90的用于燃料流动的第二区域。轴环部65内和喷射器针40的第二端上方的压力减小，同时燃料空间70中的压力保持基本不变，这改变了沿喷射器针40的纵轴的方向作用于该喷射器针上的力的平衡，从而导致该喷射器针朝向阀板60移动并打开燃料喷射孔口和燃料空间70之间的流动连接。

轴环部65在整个喷射循环期间紧紧地压在阀板60上，这是因为燃料空间70中的压力从下面起作用以确保对着阀板60的闭合和紧密性。针弹簧66有助于保持轴环部对着阀板呈静态且压力密闭。

轴环部65和针40之间的小间隙71允许一些泄漏燃料从燃料空间70流出，这有利于往复运动的针和固定不动的轴环部之间的润滑。

如在上文说明的，喷射器针40的位置受到加压控制流体的影响，在该实施方式中，加压控制流体为燃料。对于本领域技术人员显而易见的是，控制流体也可以是一些其它合适的压力介质，像液压油，但有利的是利用已经为喷射事件加压的燃料。因此，通过施加加压燃料可以将针推向其关闭位置，并且通过减小加压控制流体可以允许针离开其关闭位置。

喷射可以根据本发明的实施方式以减小的初始喷射速率来执行，而不管高压燃料喷射系统10，以同时提供减少颗粒、NO_X和噪声排放的潜能。这可以通过在控制流体压力被减少并且针40被允许离开其关闭位置时限制控制流体流动来实现。

在图1的实施方式中，用于控制流体的流路通过连接通道75和第一收缩部80、出口通道85和第二收缩部90以及轴环部65和针40之间的间隙的组合而形成，其中控制流体的压力状态对喷射器针的位置有影响。为了提供速率成形功能，流路包括对控制流体的流动产生限制作用的至少一部分，在该情况下为三部分，即，第一收缩部和第二收缩部以及间隙，这三段都对减压或轴环部65内的空间63有影响。

在图1的实施方式中，轴环部65和喷射器针40的至少第二端是由具有不同热膨胀系数的材料制成的，这是在不同温度下提供不同的限制作用的受温度影响的构件的一种实施方式。

在该实施方式中，具体地，轴环部65的内表面和喷射器针40的外表面限定控制流体的流动，其中两个相对的受温度影响的构件导致它们之间的间隙根据占优势的温度而改变。这继而对从燃料空间70通过间隙到达轴环部65内的空间63的燃料的流率及其减压有影响。

汽缸盖15设置有冷却系统102，该冷却系统在操作上布置在汽缸盖中包括流体流动通道的燃料喷射装置20的附近，尤其是布置在燃料喷射装置的主体附近。借助冷却系统，可以对燃料和/或燃料喷射装置10的温度产生影响，以便控制至少一个受温度影响的构件40、65、71。冷却装置可以包括也布置到喷射器主体25的流体流动通道（未示出）。

现在回到图2，能看到其中示出了图1的受温度影响的构件的影响的示例性情况。竖轴表示喷射压力p并且横轴表示发动机的曲柄角C.A.。曲线示出了在喷射开始时压力增加。曲线A表示这样的情况，其中轴环部65和喷射器针40都由钢制成，因此具有相同的温度特性，具体地，具有相同的热膨胀系数。曲线A这里作为基准被示出。曲线B表示这样的情况，其中轴环部65和喷射器针40由不同的材料制成。具体地，轴环部65由陶瓷材料（诸如碳化钨或氮化硅）制成，并且喷射器针由钢制成。在该示例中，燃料温度是大约140℃。曲线C也表示这样的情况，其中轴环部65由陶瓷材料制成，并且喷射器针由钢制成。在该示例中，燃料温度是大约40℃。

如从图2能看到的，当在较低温度下运行发动机时，喷射压力的增加是相当缓和的。作为一示例，变化表示在某一压力下1,9°C.A.的延迟D。这在正常操作温度下运行发动机时（例如，刚好在起动发动机以后）具有特别有利的影响。在该阶段，排放控制设备（具体地，NO_x催化转化器）尚未达到其工作温度，并且借助本发明，受温度影响的燃料喷射速率成形对于该问题具有有利影响。

根据本发明的实施方式，活塞式发动机被操作使得在起动发动机之后，至少一种预定物质的排放从发动机的废气中被测量，并且至少直到发动机已达到其正常操作温度，发动机的控制系统被控制以对燃料和/或燃料喷射装置10的温度有影响，以便控制对控制流体流动提供温度有关的限制作用的至少一个受温度影响的构件65。

图3示出了根据本发明的另一实施方式的燃料喷射系统10。除涉及轴环部65内的控制空间63的细节以外，它对应于图1的实施方式，因此相同的附图标记用于相同或相应的元件。

在图3的实施方式中，喷射器针40的第二端（即，图3的位置中的上端）设置有筒状腔64（像钻孔），形成控制空间63。存在布置在喷射器针40的第二端和阀板60之间且由它们之间的弹簧67支承的控制板68。控制板具有孔或口69，该孔或口沿喷射器针40的纵轴从控制板的第一侧（即，喷射器针那一侧）延伸到第二侧（即，阀板60那一侧）。控制板68也设置有位于第二侧的空间，该空间由位于控制板68的外周并且包围腔的边缘72限定边界。连接通道75和出口通道85通向该空间。在轴环部65的端部处存在有径向缩减部65’，该径向缩减部形成了轴环部65的肩部。控制板68具有大于轴环部65的内径的直径，使得由缩减部65’形成的肩部限制控制板的运动。缩减部的纵向高度大于控制板68沿喷射器针40的纵轴的厚度。

在喷射开始之前的静止位置，控制板68借助于边缘72抵靠在阀板60上，从而进行密封。当阀构件95被致动时，开始控制空间63的减压。从轴环部65内的加压控制空间漏出的燃料受控制板68中的口69连同出口管道85中的第二收缩部90的控制。这使得针缓慢上升，因此喷射压力上升较低。

附加地，在图3的实施方式中，用于控制流体的流路包括轴环部65和针40之间的间隙71。为了改变速率成形功能，流路包括具有不同热膨胀系数的至少一个部分，这是在不同温度下提供不同限制作用的受温度影响的构件的实施方式。轴环部65和喷射器针40的至少第二端由具有不同热膨胀系数的材料制成，从而向控制流体流提供变化的限制作用。

当阀构件95关闭经由控制板中的口69产生的流动时，关闭程序开始。有利地，阀构件95是电磁阀。在初始阶段，控制板68抵靠阀板60并且燃料仅流过口69。当流体经由口80穿过口69继续到达腔64或控制空间63时，控制空间63中作用于针40的顶部的压力导致针开始其关闭运动。由腔64中的压力引起的力和弹簧67的力减小到低于位于控制板68的第二侧并且由边缘72和阀板60限定边界的空间中的压力引起的力。在该阶段，控制板68脱离与阀板60的接触，并且燃料可以绕控制板68流动。这允许流入控制空间63中的燃料的相当大的增加，从而将针推到其关闭位置。在关闭程序中，控制板68在喷射器针40的第二端和阀板60之间浮动。控制板和轴环部之间的间隙足够大，以允许控制流体以足够快速地向下推针而没有板68跟随的量流动。因此口69根本不会在初始阶段之后延迟关闭程序。

根据本发明的实施方式，轴环部65是由不同于喷射器针的材料的材料（即，如图1中的陶瓷材料）制成的。根据本发明的另一实施方式，轴环部65与喷射器针由相同的材料制成。

虽然本文已经结合目前被认为是最优选实施方式通过举例描述了本发明，但是要理解的是，本发明不限于所公开的实施方式，而是旨在涵盖被包括在如所附权利要求所限定的本发明的范围内的其特征的各种组合或修改，以及几个其他应用。结合任何实施方式在上提及的细节在这样的结合是技术上可行的时可以与另一实施方式结合使用。

Claims (10)

1.一种用于活塞式发动机的燃料喷射装置(20)，所述燃料喷射装置包括燃料喷射器主体(25)，在所述燃料喷射器主体中设置有喷射器针(40)，所述喷射器针布置成基于其位置阻止或允许燃料从所述燃料喷射装置喷射，所述位置受控制空间(63)中的加压控制流体的影响，所述燃料喷射器主体(25)包括喷射器空间(70)，所述喷射器针(40)布置在所述喷射器空间中，所述喷射器空间设置有燃料入口(51)和位于该喷射器空间的第一端的燃料喷射孔口(46)，燃料能在所述喷射器针(40)的控制下穿过所述燃料喷射孔口喷射，所述燃料喷射装置的特征在于，所述喷射器针的第二端布置成限定控制空间(63)的边界，所述控制空间(63)能经由用于加压控制流体的流路与燃料喷射系统(10)的低压侧连接，其中，用于加压控制流体的所述流路包括限制部分，所述限制部分包括至少两个相互协作的受温度影响的构件，所述受温度影响的构件中的第一构件的热膨胀系数不同于所述受温度影响的构件中的第二构件的热膨胀系数。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述控制空间(63)由至少部分地包围所述喷射器针(40)的轴环部(65)限定边界。

3.根据权利要求2所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述轴环部至少部分地包围所述喷射器针(40)的端部。

4.根据权利要求2或3所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述限制部分包括所述喷射器针(40)和所述轴环部(65)的相对的表面之间的间隙(71)。

5.根据权利要求2所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述轴环部(65)中布置有单独的控制板(68)，所述控制板设置有口(69)，并且所述限制部分包括所述控制板(68)中的所述口(69)和阀板(60)的出口通道(85)中的第二收缩部(90)，所述控制板(68)的热膨胀系数不同于所述阀板(60)的热膨胀系数。

6.根据权利要求1所述的燃料喷射装置，其特征在于，所述第一构件由陶瓷材料制成，并且所述第二构件由钢制成。

7.一种具有共轨式燃料喷射系统的活塞式发动机，所述活塞式发动机的特征在于，所述共轨式燃料喷射系统包括根据前述权利要求中的任一项所述的燃料喷射装置。

8.根据权利要求7所述的活塞式发动机，其特征在于，所述活塞式发动机包括在操作上布置在所述燃料喷射装置的附近的冷却系统(102)。

9.根据权利要求8所述的活塞式发动机，其特征在于，所述活塞式发动机包括在操作上布置在所述燃料喷射装置的主体的附近的冷却系统。

10.一种操作活塞式发动机的方法，所述活塞式发动机具有共轨式燃料喷射系统，所述共轨式燃料喷射系统包括根据权利要求1所述的燃料喷射装置，在所述方法中，所述活塞式发动机被操作，使得在起动该发动机之后，从所述发动机的废气中测量至少一种预定物质的排放，所述方法的特征在于，至少直到所述发动机已达到其正常操作温度，控制所述发动机的冷却系统以对燃料和/或燃料喷射装置(20)的温度产生影响，以便控制至少一个受温度影响的构件，所述受温度影响的构件对控制流体的流动提供与温度有关的限制作用，从而影响所述喷射器针(40)的位置。