CN104343603B - 流体喷射器和用于操作流体喷射器的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了流体喷射器。该流体喷射器具有纵向轴线(L)并包括：阀体(6)；阀针(12)，其被接收在阀体(6)中，沿轴向可移动，且是可操作的以在关闭位置防止流体喷射并在其它位置容许流体喷射；电枢(14)，其被机械地联接至阀针(12)，使得它是可操作的以移动阀针(12)远离关闭位置；和螺线管组件(30)，其至少包括第一和第二线圈(34、36)，并且是可操作的以经由电信号(I1)磁性地致动电枢(14)。用于操作流体喷射器的方法包括：将电信号(I1)施加至第一线圈(34)，以生成主磁场来移动电枢(14)，以便移动阀针(12)远离关闭位置；评估穿越第一线圈(34)的端子的电压(U1)；以及在评估电压(U1)期间，用再一电信号(I2)控制第二线圈(36)以使阀体(6)的定位在电枢(14)与螺线管组件(30)之间的部分中的磁场饱和。

Description

流体喷射器和用于操作流体喷射器的方法
技术领域
本公开涉及一种流体喷射器，其包括：纵向轴线；阀针，其沿轴向是可移动的，并且是可操作的，以在关闭位置防止流体喷射，并在其它位置容许流体喷射；电枢，其被机械地联接至所述阀针；和螺线管组件，其至少包括第一和第二线圈，并且是可操作的，以经由电信号磁性地致动所述电枢。本公开进一步涉及用于操作所述流体喷射器的方法。
背景技术
流体喷射器被广泛使用，特别是用于内燃发动机，其中它们可以被配置成将流体投配到内燃发动机的进气歧管中或直接到内燃发动机的气缸的燃烧室中。
鉴于非需排放物的生成，为了增强燃烧过程，相应流体喷射器可以适合于在非常高的压力下投配流体。压力在汽油发动机的情况下可以例如处于高达200巴的范围内，而在柴油发动机的情况下可以处于高达2000巴的范围内。
WO 2011/000663 A1公开了一种流体喷射器，其包括纵向轴线和阀针，其沿轴向是可移动的，并且是可操作的，以在关闭位置防止流体喷射，并在其它位置容许流体喷射。该流体喷射器还包括：电枢，其被机械地联接至所述阀针；和螺线管组件，其至少包括第一和第二线圈，并且其是可操作的，以经由电信号磁性地致动所述电枢，所述电信号被施加至至少两个线圈的至少一个预定类别(assortment)。这允许对于流体喷射器的当前操作条件特别是流体压力调节流体喷射。在包括多于一个的线圈的第一预定类别上施加电信号有助于提高螺线管电感以及作用在电枢上的磁力。这以快速方式容许流体喷射。另一方面，如果流体喷射器内的流体压力相对较低，则电信号可以被施加至包括比第一类别更少的线圈的第二预定类别。这减小例如由于减小的电阻引起的欧姆下降，并且有助于确保流体喷射器的有效操作。
由于总是更加严格的要求，螺线管喷射器必须是可控的，以便输送非常小的燃料量。这对处于所谓弹道操作模式下的螺线管喷射器尤其如此。为了控制喷射器，电反馈信号被用于在电枢-阀针组件到达完全打开和完全关闭位置时检测喷射器电枢的移动变化。用适当的控制单元评估该信号使得有可能控制最小的可分配燃料输送量。电反馈信号在一线圈的端子之间被测量，所述线圈用于生成电枢的磁化，以便打开和关闭喷射器阀。
为了实现可从喷射器电路获得的电反馈信号的良好信号质量，喷射器本体有必要在线圈的支持电信号发展的区域中具有限制(细阀体部段)，以检测电枢-阀针组件的关闭位置。该设计要求：阀体由特殊的“不好”磁性钢例如415M SS制成，且具有处于约1特斯拉的有限饱和水平。作为一个缺点，这具有以下效果：电信号振幅将减小。然而，具有厚度减小的部段的阀体必须达到相对于结构阻力到来的所有要求。因此，阀体的材料也必须支承更高的机械应力。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种流体喷射器，其通过提高的控制可能性来促进可靠的且有效的流体喷射。本发明的另一目的是说明一种用于操作流体喷射器的方法，其允许喷射特别小的流体量。
这些目的通过具有独立技术方案的特征的流体喷射器和方法来实现。所述流体喷射器和方法的有利实施例和改进在相应从属技术方案中、在以下描述中以及在附图中说明。
根据第一方面，说明了一种流体喷射器。根据第二方面，说明了一种用于操作流体喷射器的方法。
流体喷射器具有纵向轴线，并包括阀针，其被接收在阀体中并沿轴向可移动。所述阀针是可操作的，以在关闭位置防止流体喷射，并在其它位置容许流体喷射。该流体喷射器还包括：电枢，其被机械地联接至所述阀针；和螺线管组件，其至少包括第一和第二线圈，并且其是可操作的，以经由电信号磁性地致动所述电枢。所述电枢优选被接收在所述阀体中。
所述电枢特别地相对于所述阀体沿轴向可移动，并且是可操作的，以移动阀针远离关闭位置。所述电枢可被刚性地联接至所述阀针，即它可在位置上相对于阀针固定，或者电枢和阀针可被联接为具有一定的轴向游隙，使得电枢和阀针相对于彼此沿轴向可位移。
所述流体喷射器可以进一步包括校准弹簧(calibration spring)，其是可操作的，以朝关闭位置偏置阀针。所述阀针和电枢特别被联接成使得：所述阀针是可操作的，以在它借助于由校准弹簧生成的弹簧力沿轴向朝向关闭位置移动时带着电枢一起移动。
所述流体喷射器特别被构造成用于将所述电信号馈送至所述第一线圈，以生成主磁场来移动所述电枢，以便移动所述阀针远离所述关闭位置。所述流体喷射器特别进一步被构造成使得：在评估穿越所述第一线圈的端子的电压期间，所述第二线圈是可控的，以使所述阀体的定位在所述电枢与所述螺线管组件之间的部分中的磁场饱和，优选以便在所述阀体中具有恒定的磁通。所述电压可以代表反馈信号，其优选用于控制所述电信号。
根据一个实施例，在评估穿越所述第一线圈的端子的电压期间，所述电信号被施加至所述第一线圈以生成主磁场来移动所述电枢，以移动所述阀针远离关闭位置，同时所述第二线圈被控制成使所述阀体的定位在所述电枢与所述螺线管组件之间的部分中的磁场饱和，以便在所述阀体中具有恒定的磁通，所述电压代表用于控制所述电信号的反馈信号。所述反馈信号特别在流体喷射器的关闭瞬态期间被测量，即特别是在馈送至第一线圈的电信号的结束与将阀针返回关闭位置之间的时间周期中。
在一个实施例中，所述方法包括以下步骤：将所述电信号施加至所述第一线圈，以生成主磁场来移动所述电枢，以便移动所述阀针远离所述关闭位置。所述方法进一步包括以下步骤：评估穿越所述第一线圈的端子的电压。所述方法附加地包括以下步骤：在评估电压期间，用再一电信号控制所述第二线圈，以使所述阀体的定位在所述电枢与所述螺线管组件之间的部分中的磁场饱和。
在所述方法的一个实施例中，至少在所述电信号被终止时的时间点与所述阀针到达所述关闭位置时的时间点之间测量所述电压。
在一个实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：在所述流体喷射器的一个喷射事件期间评估所述电压，并使用评价结果作为反馈信号来在后续喷射事件中控制所述电信号。
在所述方法的一个实施例中，穿过所述第二线圈的再一电信号由穿过所述第一线圈的电信号定相位(phased)，以便使全局电力消耗最佳化。
本发明利用以下构思：电反馈信号正比于由电枢的速度变化引起的磁通变化。因此，为了使对反馈信号的电枢运动贡献最大化，必须确保测量反馈信号期间在阀体中的磁通的变化尽可能小。这通过提供第二线圈来实现，所述第二线圈确保不存在穿过阀体的磁通的影响。作为结果，从第一线圈的端子得到的反馈信号在其质量上被提高。
流体喷射器可以有益地包括极靴(pole piece)，其与所述阀体一体地形成，或者在位置上相对于所述阀体固定。所述极靴形成用于第一磁场的磁性回路的一部分。当第一线圈通过电信号通电时，电枢可以被吸引朝向极靴。所述流体喷射器可以被构造成使得电枢在流体喷射器的完全打开构造中抵接极靴，并在阀针处于关闭位置时沿轴向与电枢隔开，即在极靴与电枢之间可以存在轴向工作间隙。所述方法可以包括在流体喷射器到达完全打开构造之前终止电信号。
根据一实施例，第二线圈与第一线圈电气地分离。特别地，第一线圈和第二线圈可以彼此分离地被控制。例如，当第一线圈的电流为零时--特别是在电信号的结束时--(所谓的最终箝位(clamping))，第二线圈由连续的电压阶跃(即5V)激活，直到第一线圈的电压为零。控制可由控制单元完成。
所述第二线圈可以沿轴向与所述阀体的具有减小厚度的部分重叠。阀体的该部分是磁通的路径的一部分，所述磁通将由于第二线圈的存在而被保持恒定。在一个改进中，第二线圈、阀体的具有减小厚度的部分以及轴向工作间隙沿纵向方向彼此重叠。这样，可获得反馈信号的特别好的信号质量。
在再一实施例中，所述第二线圈可以沿轴向与所述第一线圈重叠。这确保螺线管组件的小尺寸。特别地，所述第二线圈可以定位在所述阀体与所述第一线圈的一部分之间。该配置也确保螺线管组件的小尺寸。在与第二线圈重叠的部段中，第一线圈可以具有减小的厚度，使得第二线圈可被放置在所得凹部中。例如，沿纵向方向定位在第二线圈之后的再一部分的厚度--即具体为线圈的内径与外径之间的差值--可以是与第二线圈重叠的部分的厚度的至少两倍。在一个改进中，在沿轴向与第二线圈重叠的部分中，比起在其它部分中，第一线圈具有较少数量的沿径向方向彼此接续的绕组。例如，在其它部分中的沿径向后续的绕组的数量是与第二线圈重叠的部分中的至少两倍。
根据再一实施例，所述第二线圈定位在U形轮廓内，所述U形轮廓的开放端部指向所述阀体。换言之，所述轮廓可以是回转体，其源自U形围绕纵向轴线的虚拟旋转，U形的自由端部面朝纵向轴线。借助于该U形，所述轮廓特别包括通道，其沿径向向内方向打开，并且可以在其中接收第二线圈。所述轮廓可以由铁磁性材料制成，特别用以提供第二线圈的磁通的专用路径。所述U形轮廓是磁通的路径的一部分，所述磁通将由于第二线圈的存在而被保持恒定。另外，所述轮廓容纳第二线圈的导体。
在再一有利实施例中，流动穿过第二线圈的电流由流动穿过第一线圈的电流定相位，以便使全局电力消耗最佳化。例如，当电信号被馈送至第一线圈时，除了第一线圈之外，第二线圈可以由再一电信号操作。所述电信号和所述再一电信号可以是脉冲信号，其相对于彼此具有相移。当第一线圈的电流为零(所谓的最终箝位)时，第二线圈可以由连续的电压阶跃(即5V)激活，直到第一线圈的电压为零。控制可由控制单元完成。
所述流体喷射器和方法的再一些优点、有利实施例和改进将从在以下辅以示意性附图描述的示例性实施例中变得显而易见。
附图说明
附图中：
图1示出了具有两个线圈的一个公知流体喷射器，
图2示出了根据本发明一示例性实施例的喷射器的放大视图，其示出了根据本发明的螺线管，并且
图3示出了在喷射事件期间取决于时间的穿过第一和第二线圈的电流的以及图2的喷射器的第一线圈的电压的图示。
出现在不同图示中具有相同设计和功能的元件以相同附图标记来标识。
具体实施方式
图1示出了一公知流体喷射器的截面图。该流体喷射器特别适合于投配流体特别是燃料到内燃发动机中。它包括装配接头2，其被设计成将流体喷射器机械地和液压地联接至流体贮存器比如燃料轨。流体喷射器具有纵向轴线L，并且进一步包括入口管4、阀体6和壳体8。在阀体6中提供凹部10，其接受阀针12并且优选接受电枢14。
阀针12被机械地联接至电枢14。在根据图1的阀针的情况下，电枢14被刚性地联接至阀针12，使得它们在位置上相对于彼此固定。
入口管4设置有凹部16，其通过电枢14的中心开口18与阀体10的凹部10液压地连通。弹簧20被配置在入口管4的凹部16中。弹簧20可以延伸到电枢14的中心开口18中。在一个实施例中，弹簧20座置在弹簧支座上，所述弹簧支座由电枢14的中心开口18中的防反弹盘22形成。弹簧20以这种方式机械地联接至阀针12。调节管24被提供在入口管4的凹部16中。调节管24形成用于弹簧20的再一支座，并且可以在流体喷射器的制造工艺期间沿轴向移动，以便以所需方式预加载弹簧20。
在流体喷射器的关闭位置，阀针12密封地座置在支座26上，并以这种方式防止流体流动穿过至少一个喷射喷嘴28。喷射喷嘴28可以例如是喷射孔，然而，它也可以为一些适于投配流体的其它类型。支座26可以被制作为阀体6的一体部分，或者也可以被制作为固定至阀体6的分离部分。当阀针12克服弹簧20的偏置力处于沿轴向方向L移动远离关闭位置的其它位置时，容许流体喷射。当电枢14抵接极靴15时，流体喷射器处于完全打开构造，所述极靴在本情况下由入口管4的下游端代表。当阀针处于关闭位置时，电枢14沿纵向方向L与极靴15间隔开，即在本情况下与入口管4间隔开。这样，在电枢14与极靴15之间限定出轴向工作间隙。
流体喷射器包括具有第一和第二线圈34、36的螺线管组件30。第一和第二线圈34、36优选被包覆模制。螺线管组件30可以包括多于两个的线圈。
流体入口37被提供在装配接头2中，其被接收在入口管4的上游端处的凹部16中。流体入口37与过滤器38连通，流体必须在其从入口管4的凹部16去往阀体6的凹部10的途中穿过所述过滤器。
过滤器38可以被集成在调节管24中。调节管24被设计成使得流体可以流动穿过调节管24趋向喷射喷嘴28。防反弹盘22设置有适当的凹部，其与电枢14的中心开口液压地连通。调节管24设置有阻尼器40，用于抑制流体流动。阻尼器40包括至少一个孔口，流体在从流体喷射器的流体入口37向至少一个喷射喷嘴28流动时必须流动穿过所述至少一个孔口。
图2示出了根据本发明一示例性实施例的流体喷射器的一部分的截面图。该流体喷射器总体上对应于图1的流体喷射器。
相反于图1的流体喷射器，根据本实施例的流体喷射器的电枢14相对于阀针12沿轴向可位移。阀针12具有处于上游端的套圈13，其限制电枢14在远离支座26的轴向方向上相对于阀针12的相对轴向位移。这样，电枢14是可操作的，以在它移动远离支座26时带着阀针12一起移动。弹簧20在本实施例中不像图1中那样与电枢14接合，而是座置在阀针12的套圈13上。套圈13被接收在极靴15的中心孔中，用于沿纵向方向引导阀针12。
此外，与图1的流体喷射器形成对比，阀体6包括具有减小厚度的可选部段41。部段41沿轴向重叠电枢14与极靴15之间的轴向工作间隙。
由第一和第二线圈34、36构成的螺线管组件30在部段41的范围内环绕阀体6。更详细地，第二线圈36配置成相邻于部段41，并沿轴向与之至少部分地重叠。第二线圈36定位在第一U形轮廓42内，其由铁磁性材料制成，比如在SAE分类中钢号为430或415的不锈钢。第二线圈36的导体配置在绕线管43中，所述绕线管43具有第二U形轮廓，并且特别由配置在第一U形轮廓42中的内部壳体的材料制成。绕线管43的底侧--即面朝纵向轴线L的表面--相邻于部段41，使得在绕线管43与阀体6之间存在径向间隙。
第二线圈36沿轴向与第一线圈34重叠，并且定位在第一线圈34的具有台阶状截面的台阶状凹部44中。在沿纵向方向L朝向支座26领先第二线圈36的部分中，与沿轴向与第二线圈36重叠的部分中相比，第一线圈34具有更小的内径以及更多的沿径向后续的绕组。
流体喷射器被构造成以所谓的弹道(ballistic)操作模式操作。在弹道操作模式中，在电枢与极靴15发生接触之前，螺线管组件30可以被断电。
为了控制喷射器，电反馈信号被用于检测在电枢14碰触极靴15时和/或在阀针12碰触支座26时电枢14的速度变化。以适当的控制单元评估该信号使得有可能实现非常小的最小燃料输送量。电反馈信号在第一线圈34的端子(未示出)之间被测得，所述第一线圈34用于生成第一磁场来移动电枢14，以便打开喷射器阀。
图3示出了根据用于操作流体喷射器的方法的一示例性实施例的取决于时间t的被馈送到第一线圈34中的电信号I1、被馈送到第二线圈36中的再一电信号I2和在第一线圈34中感应出的电压U1。
在根据该示例性实施例的方法中，电信号I1被施加至第一线圈34，开始于时间t中的点T1处，以生成主磁场，来沿轴向方向L移动电枢14远离支座26(见图3的上部)。电枢借助于其与阀针12的机械联接带着阀针12沿轴向方向L与之一起移动。这样，阀针12移动远离关闭位置。阀针12因此不与支座26接触，使得流体喷射器不被密封，从而流体穿过喷射喷嘴28得到分配。
电信号I1可以被控制为终止于流体喷射器到达其完全打开构造之前，即电枢14碰触极靴15之前。
当通过在时间t中的点T2处终止电信号I1而使第一线圈34断电时，弹簧20迫使阀针12沿轴向方向L朝向支座26移动返回，直到阀针12碰触支座26，即直到阀针12到达关闭位置。借助于与电枢14的机械联接，阀针12在朝关闭位置移动时带着电枢14与之一起移动，以重新密封喷射喷嘴28。借助于电枢14相对于第一线圈34的移动，在第一线圈34中感应出电压U1(见图3的下部)。
电枢14固定地联接至阀针12，或者电枢14相对于阀针12的轴向位移借助于电枢14与阀针12的机械联接被限制。因此，当阀针12在时间t中的点TC处碰触支座26时，电枢14的速度发生变化。电枢14的速度变化改变在第一线圈34中感应出的电压U1。
在所述方法的一实施例中，在第一线圈34中感应出的电压U1被测量和评估，以检测阀针12碰触支座26时的时间点。评估感应电压U1特别包括确定在阀针12碰触支座26时通过电枢14的速度变化引起的电压变化。
所述方法进一步包括以下步骤：在评估穿越第一线圈的端子的感应电压U1期间，用再一电信号I2(图3的中部)来控制第二线圈36，以使阀体6的定位在电枢14与螺线管组件30之间的部分中的磁场饱和，以便在阀体6中具有恒定的磁通。由此，穿过部段41的路径得到饱和，以分别避免和最小化随时间推移的磁通变化，其可能妨碍由电枢14感应出的电压。作为结果，可测得由于电枢运动引起的良好质量的穿越第一线圈的感应电压信号(其代表反馈信号)。这经由反馈信号向喷射器弹道操作提供更好的支持。
在所述方法的一个改进中，第二线圈36在第一线圈34断电时通电(见图3)。在所述方法的另一改进中，第二线圈36已经在第一线圈34断电之前通电。

Claims (13)

1.用于操作流体喷射器的方法，
其中，所述流体喷射器具有纵向轴线(L)，并包括：
- 阀体(6)，
- 阀针(12)，其被接收在所述阀体(6)中，沿轴向是可移动的，并且是可操作的，以在关闭位置防止流体喷射，并在其它位置容许流体喷射，
- 电枢(14)，其被机械地联接至所述阀针(12)，使得它是可操作的，以移动所述阀针(12)远离所述关闭位置，
- 螺线管组件(30)，其至少包括第一线圈和第二线圈(34、36)，并且是可操作的，以经由电信号(I1)磁性地致动所述电枢(14)，
所述方法包括以下步骤：
- 将所述电信号(I1)施加至所述第一线圈(34)，以生成主磁场来移动所述电枢(14)，以便移动所述阀针(12)远离所述关闭位置，
- 评估穿越所述第一线圈(34)的端子的电压(U1)，
- 在评估电压(U1)期间，用再一电信号(I2)控制所述第二线圈(36)，以使所述阀体(6)的定位在所述电枢(14)与所述螺线管组件(30)之间的部分中的磁场饱和。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少在所述电信号被终止时的时间点(T2)与所述阀针(12)到达所述关闭位置时的时间点(TC)之间测量所述电压(U1)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括以下步骤：在所述流体喷射器的一个喷射事件期间评估所述电压(U1)，并使用评价结果作为反馈信号来在后续喷射事件中控制所述电信号(I1)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，穿过所述第二线圈(36)的再一电信号(I2)由穿过所述第一线圈(34)的电信号(I1)定相位，以便使全局电力消耗最佳化。
5.一种具有纵向轴线(L)的流体喷射器，包括：
- 阀体(6)，
- 阀针(12)，其被接收在所述阀体(6)中，沿轴向是可移动的，并且是可操作的，以在关闭位置防止流体喷射，并在其它位置容许流体喷射，
- 电枢(14)，其被机械地联接至所述阀针(12)，使得它是可操作的，以移动所述阀针(12)远离所述关闭位置，
- 螺线管组件(30)，其至少包括第一线圈和第二线圈(34、36)，并且是可操作的，以经由电信号(I1)磁性地致动所述电枢(14)，
其中，所述流体喷射器被构造为
- 用于将所述电信号(I1)馈送至所述第一线圈(34)，以生成主磁场来移动所述电枢(14)，以便移动所述阀针(12)远离所述关闭位置，
- 用于在评估穿越所述第一线圈(34)的端子的电压(U1)期间，控制所述第二线圈(36)，以使所述阀体(6)的定位在所述电枢(14)与所述螺线管组件(30)之间的部分中的磁场饱和，以便在所述阀体(6)中具有恒定的磁通。
6.根据权利要求5所述的流体喷射器，进一步包括：校准弹簧(20)，其用于将所述阀针(12)朝向所述关闭位置偏置，其中所述流体喷射器被构造成在所述第一线圈(34)断电的同时将再一电信号(I2)馈送至所述第二线圈(36)，并且所述阀针(12)被由所述校准弹簧(20)生成的弹簧力移动朝向所述关闭位置。
7.根据权利要求5或6所述的流体喷射器，其特征在于，所述第二线圈(36)与所述第一线圈(34)电气地分离。
8.根据权利要求5所述的流体喷射器，其特征在于，所述第一线圈(34)和所述第二线圈(36)是彼此分离地可控的。
9.根据权利要求5所述的流体喷射器，其特征在于，所述第二线圈(36)沿轴向与所述阀体(6)的具有减小厚度的部分重叠。
10.根据权利要求5所述的流体喷射器，其特征在于，所述第二线圈(36)沿轴向与所述第一线圈(34)重叠。
11.根据权利要求10所述的流体喷射器，其特征在于，所述第二线圈(36)定位在所述阀体(6)与所述第一线圈(34)的一部分之间。
12.根据权利要求5所述的流体喷射器，其特征在于，所述第二线圈(36)定位在U形轮廓内，所述U形轮廓的开放端部指向所述阀体(6)。
13.根据权利要求12所述的流体喷射器，其特征在于，所述轮廓由铁磁性材料制成。
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