CN103764964B - 具有磁通桥和磁通间隔的电磁控制式喷射器 - Google Patents

Abstract

一种用于喷射试剂的喷射器包括定位在壳体内的轴向能移位的阀构件。电磁体被定位在所述壳体内，并包括圆柱形导线线圈。所述阀构件响应于131所述电磁体通电而在就座位置和离座位置之间移动。磁通套筒穿过所述线圈，并包括通过非磁性部分相互连接的两个磁性部分。每个磁性部分均与由所述圆柱形线圈的端部限定的横向平面对准。所述非磁性部分被轴向定位在所述横向平面之间。

Description

具有磁通桥和磁通间隔的电磁控制式喷射器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年8月30日递交的美国专利申请No.13/220,980的优先权，该美国专利申请是于2011年6月21日递交的美国申请No.13/164,976的部分连续申请，美国申请No.13/164,976是于2011年2月9日递交的美国申请No.13/023,870的部分连续申请，美国申请No.13/023,870要求于2010年2月10日递交的美国临时申请No.61/303,146的利益。上述申请的每个的全部公开内容均通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及喷射器系统，更具体地，涉及用于将诸如尿素水溶液的试剂喷射到排气流中以减少来自柴油发动机排气中的氮氧化物（NO_X）排放的喷射器系统。

背景技术

本部分提供与本公开相关且未必是现有技术的背景信息。通过利用过量氧气操作，也就是利用比可用燃料的完全燃烧所需量多的氧气量操作，稀薄燃烧发动机提供了改进的燃料效率。这种发动机被称为“稀薄”或“稀薄混合”运行。然而，与非稀薄燃烧相比，这种燃料经济性的改进或增加被不希望的特别是氮氧化物（NO_X）形式的污染排放所抵消。

一种用于减少来自稀薄燃烧内燃机的NO_X排放的方法已知为选择性催化还原（SCR）。在被用于例如减少来自柴油发动机的NO_X排放时，SCR涉及将雾化试剂喷射到和一个或更多所选择的发动机运行参数有关的发动机的排气流中，发动机运行参数例如是发动机排气温度、由发动机燃油流量测量的发动机每分钟转数或发动机负载、涡轮增压压力或排气NO_X质量流量。试剂/排气气体混合物通过含有催化剂的反应器，催化剂诸如例如是能够在有试剂的情况下减少NO_X浓度的活性炭或诸如铂、钒或钨的金属。

已知尿素水溶液是用于柴油发动机的SCR系统的有效试剂。然而，这样的尿素水溶液的使用涉及许多缺点。尿素具有高度腐蚀性，可能对SCR系统中诸如用来将尿素混合物喷射到排气流中的喷射器之类的机械部件产生不利影响。在长时间暴露在诸如柴油机排气系统中遇到的温度的高温时，尿素也可能固化。固化的尿素将积聚在喷射器中常见的狭窄通道和出口孔开口中。固化的尿素还可能导致喷射器的运动部件阻塞，并堵塞任何开口或尿素流动通道，从而使喷射器无法使用。

另外，如果尿素混合物没有被精细地雾化，尿素沉积物将形成在催化反应器中，抑制催化剂的作用，从而降低SCR系统的有效性。高喷射压力是最小化尿素混合物雾化不足的问题的一种方式。然而，高喷射压力通常导致喷射器喷雾羽流过度渗透到排气流中，从而导致羽流冲击排气管的与喷射器相对的内表面。过度渗透还导致尿素混合物的使用率不高，并减少在减少的NO_X的情况下车辆可运行的里程。车辆只能携带有限量的尿素水，因此应该有效使用所携带的尿素水，以最大化车辆里程并减少经常补充试剂的需求。

几种已知的试剂喷射器包括用于对进入排气流中的试剂供应进行计量的电磁阀。典型地，随着电磁体被选择性地通电和断电而使该阀的磁性可移动构件在打开和闭合位置之间移位。许多现有喷射器的电磁体包括多个漏磁区域，从而导致限定较差的磁回路。使用这些类型的磁回路不可能使试剂阀的控制优化。实际分配在排气流中的试剂量可能不同于试剂喷射的目标率，导致车载试剂的使用率不高。由于磁回路的布置，阀从闭合状态至打开状态并返回至闭合状态的循环所需的时间可能大于期望。

此外，尿素水是弱润滑剂。这种特性对喷射器的运动部分产生不利影响，并要求喷射器内的相邻或相对运动部分之间采用相对紧或小的配合、间隙和公差。尿素水还有高的泄漏倾向。此特性在许多位置不利地影响需要增强的密封措施的配合表面。

提供具有良好限定的磁回路的改进的电磁控制式喷射器以改进试剂喷射控制可能是有利的。

本公开的方法和装置提供前述和其它优点。

发明内容

本部分提供本公开的大致总结，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

一种用于喷射试剂的喷射器，包括定位在壳体内的轴向能移位的阀构件。电磁体被定位在所述壳体内，并包括圆柱形导线线圈。所述阀构件响应于所述电磁体通电而在就座位置和离座位置之间移动。磁通套筒穿过所述线圈，并包括通过非磁性部分相互连接的两个磁性部分。每个磁性部分均与由所述圆柱形线圈的端部限定的横向平面对准。所述非磁性部分被轴向定位在所述横向平面之间。

一种用于喷射试剂的喷射器，包括定位在壳体内的轴向能移位的阀构件。电磁体被定位在所述壳体内，并包括围绕所述阀构件的至少一部分的导线线圈。所述阀构件响应于所述电磁体通电而在就座位置和离座位置之间移动。磁通架环绕所述线圈。该架包括轴向上彼此隔开且沿定位在所述线圈的相对侧的基本平行平面延伸的第一径向延伸部分和第二径向延伸部分。磁通套筒包括通过非磁性部分相互连接的两个磁性部分。每个磁性部分均被径向延伸的磁通架部分所位于的平面之一横切，以限定磁通桥（flux bridge）。所述非磁性部分被所述线圈环绕，并轴向定位在所述平行平面之间以限定磁通间隔（flux break）。

进一步可应用的领域将从在此提供的描述变得明显。在本发明内容中的描述和具体示例仅为了例示的目的，并非意欲限制本公开的范围。

附图说明

在此描述的附图仅用于所选实施例而非所有可能实施方式的例示目的，并非意欲限制本公开的范围。

图1为描绘示例性排气后处理系统的示意图，排气后处理系统包括根据本公开的教导的具有磁通桥和磁通间隔的电磁控制式试剂喷射器；

图2为电磁控制式试剂喷射器的透视图；

图3为试剂喷射器的分解透视图；和

图4为通过图2和图3描绘的喷射器截取的剖视图。

相应的附图标记在附图的若干视图中始终表示相应的部分。

具体实施方式

现在将参照附图更完整地描述示例实施例。

应当理解，虽然可结合柴油发动机和NO_X排放的减少来描述本教导，但是本教导可以被用于多种排气流的任意一种，作为非限制性示例，诸如来自柴油机、汽油机、涡轮机、燃料电池、喷气式飞机或输出排出流的任何其它动力源的排气流。此外，本教导可以被用于减少多种不希望的排放中的任意一种。例如，用于柴油机微粒过滤器再生的碳氢化合物的喷射也在本公开的范围内。对于另外的描述，应当关注2008年11月21日递交的名称为“用于喷射雾化流体的方法和装置”的共同转让的美国专利申请公布No.2009/0179087A1，该申请通过引用合并于此。

参照附图，提供了用于减少来自柴油发动机21的排气的NO_X排放的污染控制系统8。在图1中，系统元件之间的实线表示用于试剂的流体管路，虚线表示电连接。本教导的系统可包括用于保持试剂的试剂罐10和用于输送来自罐10的试剂的输送模块12。试剂可以是尿素溶液、碳氢化合物、烷基酯、醇、有机化合物、水或类似物，也可以是它们的混合物或者组合物。还应当认识到，系统中可以使用一种或更多种试剂，并且可以单独使用或组合使用。罐10和输送模块12可以形成整体的试剂罐/输送模块。还被提供作为系统8的一部分的是电子喷射控制器14、试剂喷射器16以及排气系统18。排气系统18包括将排气流提供到至少一个催化剂床17的排气管19。

输送模块12可以包括经由供应管路9供应来自罐10的试剂的泵。试剂罐10可为聚丙烯、涂覆环氧树脂的碳钢、PVC或不锈钢，并且其尺寸根据应用（例如车辆尺寸、车辆的预期用途等）来设定。可以提供压力调节器（未示出）来将系统维持在预定的压力设定点（例如，约60-80psi的较低压力，或在一些实施例中约60-150psi的压力），并可以位于始于试剂喷射器16的返回管路35中。在通向试剂喷射器16的供应管路9中可以提供压力传感器。该系统还可以引入各种防冻策略，以融化冻结的试剂或防止试剂冻结。在系统运行过程中，无论喷射器是否将试剂释放到排气中，试剂均可在罐10和试剂喷射器16之间连续循环，以冷却喷射器，并最小化试剂在喷射器中的停留时间，从而使试剂保持冷却。连续的试剂循环对于诸如尿素水的温度敏感型试剂来说可能是必要的，温度敏感型试剂在暴露于如在发动机排气系统中将会经历的300℃至650℃的高温时易于固化。

进一步地，可取的是将试剂混合物保持在140℃以下，优选保持在5℃至95℃的更低操作范围中，以确保防止试剂固化。如果允许形成固化的试剂，则固化的试剂可能会堵塞喷射器的移动部分和开口。

所需的试剂的量可随负载、排气温度、排气流量、发动机燃料喷射正时、期望的NO_X减少、大气压、相对湿度、EGR率以及发动机冷却液温度而变化。NO_X传感器或计量仪25位于催化剂床17的下游。NO_X传感器25可用于将指示排出的NO_X含量的信号输出至发动机控制单元27。所有或部分的这些发动机运行参数可以从发动机控制单元27经由发动机/车辆数据总线被供应到试剂电子喷射控制器14。试剂电子喷射控制器14也可以被包括作为发动机控制单元27的一部分。排气温度、排气流量和排气背压以及其它车辆运行参数可以由相应的传感器测量。

现在将参照图2-4进一步描述试剂喷射器100。试剂喷射器100包括外喷射器主体102，外喷射器主体102具有外主体上区段102a和外主体下区段102b。外主体下区段102b可包括用压折法连接至外主体上区段102a的可变形部分103。长形内下主体104可以被容纳在外主体上区段102a和外主体下区段102b中的至少一个中。长形内下主体104限定与孔口板108流体连通的圆柱形的中心孔洞106，孔口板108限定至少一个完全穿过孔口板108的出口孔110。

可使用孔口板固定器112将孔口板108联接到外主体下区段102b并保持在外主体下区段102b中。如果需要，孔口板固定器112可以与内下主体104整体形成。替代地，如图所示，孔口板固定器112被单独形成为包括减小直径部分114，减小直径部分114与外主体下区段102b的内壁116隔开。供应流体通道118形成在减小直径部分114与内壁116之间。减小直径部分114为中空，并容纳内下主体104的减小直径端部120。板固定器112可经由诸如电子束焊接的工艺被固定到内下主体104和外主体下区段102。孔口板固定器112还包括中心孔洞124，中心孔洞124与中心孔洞106同轴对准且具有小于中心孔洞106的内径。多个通道125延伸通过板固定器112，以使通道118和腔126相互流体连接，腔126形成在减小直径端部120和中心孔洞124之间。

阀构件130被能滑动地安装在中心孔洞106内。阀构件130包括长形柱销132，长形柱销132具有圆锥形第一端部134和相对的第二端部136。圆锥形端部134选择性地与阀座140接合，以在就座时限定阀构件130的密封和闭合位置。在柱销132从阀座140离开时，存在未密封的打开位置。阀座140环绕出口孔110。阀座140可以是如所示的与柱销132的圆锥形端部134的形状互补的圆锥形或锥形的，以限制通过孔口110的试剂流动。取决于应用和操作环境，柱销132和孔口板108可以由可提供期望的性能特性并可被更容易和更节省成本地制造的碳化物材料制成。另外，可以避免与其它材料相关联的局限性或缺点，诸如与制造复杂零件形状相关联的局限性或缺点。碳化物可提供额外的优点，诸如对范围可为870-980℃的钎焊温度不敏感，这与可能在该钎焊温度溶解的碳钢和工具钢不同。在和大多数其它的钢能实现的硬度相比，碳化物还可提供提高的表面硬度。碳化物对于整体耐磨性也可以是有利的。

柱销头142被固定在柱销132的端部136。柱销头142被能滑动地定位在内下主体104的增大孔洞144内。柱销头142和孔洞144之间的转动级别的滑动配合（running-class slip fit）为阀构件130提供上引导。下阀构件引导被形成在中心孔洞124和柱销132之间的滑动界面。基于此布置，阀构件130与阀座140和出口孔110精确对准。

柱销头142的下表面150与内下主体104的表面152隔开，以限定经由通道158与腔126流体连通的腔154，通道158被限定为中心孔洞106的未被柱销132占用的部分。通道160延伸通过柱销头142，以限定试剂返回通道的一部分。

具有第一端部166的极芯164的尺寸适于被容纳在孔洞144内。极芯164的第一端部166使用诸如电子束焊接的工艺被固定至内下主体104。极芯164的相对的第二端部168被密封地配合在孔洞172内，孔洞172形成在外主体上区段102a中。密封件176将入口通道178与外主体上区段102a内的出口通道180分开。长形极芯164包括延伸通过其的中心孔洞184。中心孔洞184与中心孔洞106同轴对准。扩孔188从极芯164的第二端部168向内延伸，其与延伸至柱销头142中的扩孔190同轴对准。压缩弹簧194被定位在扩孔188、190内，以驱使阀构件130与座140接合。

电磁体组件200如图所示被定位在外主体上区段102a内。电磁体组件200可包括塑料材料201，塑料材料201二次成型以在其内封装电磁体组件200中的其它部件。电磁体组件200包括卷绕在绕线筒204上的导线线圈202。两件式磁通架207包括固定至第二磁通架半部210的第一架半部208，第二磁通架部件210被定位为周向环绕导线202和绕线筒204。柱销头142由诸如430不锈钢的磁性材料构造，以使线圈202的通电产生驱使柱销头142朝向极芯164的磁场。柱销132的端部134变得从座140脱离以允许试剂流过出口孔110。线圈202可经由例如响应于来自电子喷射控制器14的信号来接通插座211而通电。电子喷射控制器14接收传感器输入信号，并且确定何时将试剂喷射至排气流中以提供NOx排放物的选择性催化还原。

控制器14还限定试剂喷射持续时间和试剂喷射速率。取决于发动机运行条件、负载、环境气温、排气温度和其它因素，可取的是控制喷射器100以提供相对宽范围的试剂喷射速率。为了实现此目的，可取的是将与将移动柱销132从就座位置移动至打开位置并返回到就座位置关联的总时间最小化。柱销头142的位置的精确控制可通过提供良好限定的磁回路来实现。

磁通架半部210包括大体上沿横向线216延伸的径向延伸部分214。柱销头142包括被线216横切的增大直径部分218。磁通架半部210和柱销头142均由磁性材料制成。为了进一步限定磁回路，内下主体104由诸如304不锈钢的非磁性材料来构造。内下主体104中与线216相交的部分包括最小的横截面厚度，以最小化任何磁通中断。

流体套筒组件220示出为三件式组件，其具有通过磁通间隔228相互连接的第一磁通桥套环224和第二磁通桥套环226。流体套筒组件220被成形为长形中空圆柱构件，该长形中空圆柱构件的尺寸和位置被设定为限定入口通道178的一部分。第一密封件232和第二密封件234确保加压试剂连续地行进通过入口通道178，而不进入电磁体组件200。磁通桥套环226和224中的每个基本相同，包括具有第一减小内径238和第二较大内径240的扩孔。每个磁通套环的外表面也为阶梯状的，包括圆柱表面242，圆柱表面242具有大于第二圆柱表面244的外径。磁通间隔228为基本直圆柱体，具有接合并固定至每个减小直径外表面244的内表面248。外表面242接合壁252和254或者与壁252和254最低限度地隔开，壁252和254限定延伸通过磁通架半部210、208的圆孔。磁通桥套环224的内圆柱形表面238的尺寸适于紧密配合内下主体104，且最小化线216横切过的任何气隙。

磁通桥套环226的内圆柱形表面238的尺寸被设定为与极芯164的增大直径部分260配合。磁通架半部208包括沿线266延伸的径向向内延伸部分264。增大直径部分260和磁通桥套环226被轴向定位为与线266对准，且提供横过喷射器100的磁回路路径。磁通架半部208和210由诸如1018低碳钢的磁性材料构造。磁通桥套环224和226由铁素体430不锈钢构造。极芯164由铁素体430不锈钢或类似的磁性材料制成。柱销头142可由铁素体430不锈钢制成。磁通间隔228与内下主体104一样由非铁素体和非磁性304不锈钢制成。由磁性和非磁性材料构造前述部件以及将磁性材料沿线216和266紧邻彼此定位大大提高与电磁体组件200相关联的磁回路性能。益处可包括使用更小的导线线圈、更少的导线匝数和减小的电流量来提供具有更低成本、减小的尺寸和重量的改进的电磁致动器。也实现了对阀构件130的位置的增强控制。还应当认识到，由圆柱形导线线圈202的端部限定的横向平面可被认为是磁回路的一部分，同样包含线216和266的平面也可被认为是磁回路的一部分。这些横向平面的至少一个穿过柱销头142、磁通桥套环224、266和增大直径极芯部分260。

当柱销132在闭合位置时，试剂流体路径被限定在喷射器100内。流体路径提供用于流体通过喷射器100的循环。更具体地，试剂流体路径从外主体上区段102a的入口270延伸通过入口过滤器268以及包括极芯164的外表面和外主体上区段102a之间的间隙的入口通道178，通过流体套筒组件220、流体通道118、形成在板固定器112中的路径、通过腔126、通道158、通道160、中心孔洞184、出口通道180、节流器孔口272、出口过滤器274、至出口278。典型地，与通过紧邻孔口110的排气系统18的排气相比，试剂进入入口270处于第一相对低的温度。通过喷射器100的试剂的再循环转移来自孔口板108和孔口板固定器112的热量。试剂的再循环也有助于转移来自线圈202的热量，因为绕线筒204被放置为紧密接触试剂流动通过的流体套筒组件220。

在线圈202通电时，产生磁场且柱销头142被驱使抵抗弹簧194的偏置力以离开柱销端部134。位于腔126内的加压试剂在柱销132和座140之间穿过，并通过出口孔110以将试剂喷射至流动通过排气系统18的排气流中。电磁体组件200可通过任意数量的方法控制，这些方法包括以预定频率打开和闭合出口孔110的脉冲宽度调制。

进一步地，前述讨论公开和描述了本公开的仅为示例性的实施例。本领域技术人员从这些讨论以及附图和权利要求将容易认识到可在其中做出多种改变、更改和变化，而不背离所附权利要求限定的精神和范围。

Claims (22)

1.一种用于喷射试剂的喷射器，该喷射器包括：

壳体；

轴向能移位的阀构件，被定位在所述壳体内；

电磁体，被定位在所述壳体内并包括围绕所述阀构件的至少一部分的导线线圈，其中所述阀构件响应所述电磁体通电而在就座位置和离座位置之间移动；

环绕所述线圈的磁通架，该架包括轴向上彼此隔开且沿定位在所述线圈的相对侧的基本平行平面延伸的第一径向延伸部分和第二径向延伸部分；

流体套筒，包括通过非磁性部分相互连接的两个磁性部分，每个磁性部分均被所述磁通架径向延伸部分所位于的平面之一横切以限定磁通桥，所述非磁性部分被所述线圈环绕，并被轴向定位在所述平行平面之间以限定磁通间隔；以及

设置在所述流体套筒的非磁性部分和两个磁性部分内的极芯，流体路径被形成在所述流体套筒内并与所述极芯的外部相邻。

2.如权利要求1所述的喷射器，其中所述流体套筒包括彼此连接的三个同轴对准的管。

3.如权利要求1所述的喷射器，进一步包括绕线筒，所述导线被卷绕在所述绕线筒上，所述绕线筒包括邻近所述流体套筒的非磁性部分定位的圆柱形部分。

4.如权利要求1所述的喷射器，其中所述阀构件包括联接到增大的柱销头的圆柱形柱销，所述柱销头由磁性材料制成，并被定位为使得所述平面之一在所述阀构件处于所述就座位置时横切所述柱销头。

5.如权利要求4所述的喷射器，其中所述流体套筒的磁性部分中的至少一个在被所述平面之一横切的位置具有增加的厚度。

6.如权利要求5所述的喷射器，进一步包括位于所述极芯内的弹簧，所述弹簧驱使所述阀构件朝向所述就座位置。

7.如权利要求6所述的喷射器，其中所述极芯被轴向定位在所述线圈内。

8.如权利要求7所述的喷射器，其中所述极芯包括被所述平面之一横切的增大直径部分。

9.如权利要求8所述的喷射器，其中所述极芯限定用于试剂在所述阀构件处于所述就座位置时流动的返回通道。

10.如权利要求6所述的喷射器，其中所述流体套筒相对于所述极芯和柱销头轴向定位。

11.如权利要求1所述的喷射器，其中所述流体套筒的非磁性部分包括304不锈钢。

12.如权利要求1所述的喷射器，其中所述流体套筒的磁性部分包括430不锈钢。

13.一种用于喷射试剂的喷射器，该喷射器包括：

壳体；

轴向能移位的阀构件，被定位在所述壳体内；

电磁体，被定位在所述壳体内并包括圆柱形导线线圈，其中所述阀构件响应所述电磁体通电而在就座位置和离座位置之间移动；

流体套筒，穿过所述线圈并包括通过非磁性部分相互连接的两个磁性部分，每个磁性部分均与由所述圆柱形线圈的端部限定的横向平面对准，所述非磁性部分被轴向定位在所述横向平面之间；以及

设置在所述流体套筒的非磁性部分和两个磁性部分内的极芯，流体路径被形成在所述流体套筒内并与所述极芯的外部相邻，并且所述流体路径持续开放以便无论所述轴向能移位的阀构件处于所述就座位置或所述离座位置均允许流通过。

14.如权利要求13所述的喷射器，其中所述流体套筒包括彼此连接的三个同轴对准的管。

15.如权利要求13所述的喷射器，进一步包括绕线筒，所述导线被卷绕在所述绕线筒上，所述绕线筒包括邻近所述流体套筒的非磁性部分定位的圆柱形部分。

16.如权利要求15所述的喷射器，其中所述绕线筒包括径向延伸凸缘，每个径向延伸凸缘均沿所述横向平面之一对准。

17.如权利要求13所述的喷射器，其中所述阀构件包括联接到增大的柱销头的圆柱形柱销，所述柱销头由磁性材料制成，并被定位为使得所述平面之一在所述阀构件处于所述就座位置时横切所述柱销头。

18.如权利要求17所述的喷射器，其中所述流体套筒的磁性部分中的至少一个在被所述平面之一横切的位置具有增加的厚度。

19.如权利要求18所述的喷射器，进一步包括位于所述极芯的凹进内的弹簧，所述弹簧驱使所述阀构件朝向所述就座位置。

20.如权利要求19所述的喷射器，其中所述极芯包括被所述平面之一横切的增大直径部分，该增大直径部分包括槽，该槽提供与流动通过所述流体套筒的试剂连通的试剂流动路径。

21.如权利要求20所述的喷射器，其中所述极芯为中空的，并限定用于试剂在所述阀构件处于所述就座位置时流动的返回通道。

22.如权利要求21所述的喷射器，其中所述流体套筒相对于所述极芯和柱销头轴向定位。