CN104421084A

CN104421084A - 流体喷射阀

Info

Publication number: CN104421084A
Application number: CN201410454276.7A
Authority: CN
Inventors: M.巴托利; S.菲利皮; M.格兰迪; F.伦齐; V.波利多里
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2015-03-18
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: US20150069151A1; EP2846032A1; CN104421084B; KR20150029596A; EP2846032B1

Abstract

一种流体喷射阀(10)，包括具有凹部(44)的流体入口管(12)和包括中心纵向轴线(L)的阀体(20)。阀体(20)包括具有流体出口部分(28)的腔体(24)。此外，喷射阀(10)包括阀针(22)，其被接收在凹部(44)中以及腔体(24)中。阀针(22)相对于流体入口管(12)和阀体(20)沿轴向可移动，以防止流体流动穿过处于关闭位置的流体出口部分(28)，并释放流体流动穿过处于其它位置的流体出口部分(28)。喷射阀(10)包括弹簧元件(30)，其配置在凹部(44)中，并且可操作以与阀针(22)相互作用，来沿轴向方向将阀针(22)偏置向其关闭位置，其中弹簧元件(30)被构造成使得弹簧元件(30)的弹簧刚度取决于凹部(44)中的流体的压力。

Description

流体喷射阀

技术领域

本公开涉及流体喷射阀。

背景技术

喷射阀被广泛使用，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。

喷射阀被制造为各种形状，以便满足各种类型的燃烧发动机的不同需求。因此，例如，它们的长度、它们的直径以及喷射阀的负责流体被投配的方式的所有各种要素可以在宽范围中变化。除此之外，喷射阀可以容置用于致动喷射阀的阀针的致动器，其可以例如为电磁致动器或压电致动器。

发明内容

本发明的一个目的是公开一种喷射阀，其可通过简单方式制造并且其有助于可靠且精确的功能。

该目的通过具有独立技术方案的特征的流体喷射阀得以实现。流体喷射阀的有利实施例在从属技术方案中给出。

公开了一种流体喷射阀。它包括具有凹部的流体入口管和包括中心纵向轴线的阀体。阀体包括具有流体出口部分的腔体。凹部特别具有流体入口部分，其处于与腔体的流体出口部分相反的轴向端部处。流体入口管和阀体优选在位置上相对于彼此固定。凹部和腔体液压地连接。有益地，流体喷射阀可以被构造成使得流体能从凹部的流体入口部分流动穿过凹部进入腔体中，并进一步至腔体的流体出口部分。流体喷射阀特别被构造为用于从流体出口部分分配流体。此外，喷射阀包括阀针。

阀针被接收在流体入口管的凹部中以及阀体的腔体中。优选地，阀针的第一轴向端部配置在流体入口管的凹部中，并且阀针从所述端部延伸到阀体的腔体中，并且特别地穿过流体出口部分至阀针的第二轴向端部。第二轴向端部特别地沿纵向突出超过腔体，优选它沿纵向突出超过阀体。

在该情况下，流体喷射阀特别为向外打开阀。换言之，流体喷射阀特别被构造成在流体出口部分处沿流体的流动方向打开。

阀针相对于流体入口管和阀体沿轴向可移动，以防止流体流动穿过处于关闭位置的流体出口部分，并释放流体流动穿过处于其它位置的流体出口部分。在向外打开阀的情况下，阀针特别在流体出口部分处沿以上提及的流动方向轴向地移动远离关闭位置，以打开阀。

喷射阀包括弹簧元件。弹簧元件配置在凹部中，并且可操作以与阀针机械地相互作用，来朝关闭位置偏置阀针。特别地，弹簧元件是可操作的，以作用于阀针，来将阀针沿轴向方向移动到其关闭位置，和/或将阀针保持在其关闭位置。在向外打开阀的情况下，弹簧元件特别是可操作的，以相反于以上提及的流动方向沿纵向方向偏置阀针。

弹簧元件被构造成使得弹簧元件的弹簧刚度取决于凹部中的流体的压力。有益地，弹簧元件可以被构造成使得其弹簧刚度随着流体压力增加而增加，并且随着流体压力减小而减小。

更具体地，流体喷射阀可以被构造成通过流体入口部分被供给加压流体--例如来自可以连接至流体喷射阀的燃料轨--以便凹部在流体喷射阀的操作期间被充注加压流体。弹簧元件可以被构造成与凹部中的加压流体相互作用，使得其弹簧刚度随着凹部中的加压流体的压力而变化。

例如，弹簧元件可以包括用于与加压流体相互作用的可弹性变形材料。特别地，弹簧元件可以被配置成使得流体与可弹性变形材料相互作用，以改变可弹性变形材料的取决于压力的形状和/或弹性模量。

借助于根据本公开的流体喷射阀，能够控制阀针载荷，而不管燃料压力如何，以总是确保关闭功能和尖端密封性能。依赖于燃料压力的弹簧刚度允许更可靠地关闭喷射器，并且有助于避免阀针在燃料压力增加情况下的不受控打开。因此，流体喷射阀具有特别低的在高流体压力时非故意打开的风险。

本流体喷射阀还使得有可能在某些流体压力时在无需附加能量或只需较少量能量的情况下操作喷射阀，所述某些流体压力低于流体喷射阀被指定的最大流体压力。在常规喷射阀中，弹簧元件的恒定弹簧作用力将必须在最大流体压力时被指定为足以克服趋于移动阀针远离关闭位置的液压作用力。当液压作用力在低流体压力时较低时，致动器单元将必须附加地提供作用力差值，以克服这种常规喷射阀中的恒定弹簧作用力来打开阀。

因此，在根据本公开的流体喷射阀中致动器单元的尺寸可被保持得较小，因此，可降低最小可控燃料量，因为致动器变得更快。致动器单元变得更快这个事实还有助于在接续注射之间以最小停留时间来执行多次注射，因此支持分级(stratified)燃烧充气。总体喷射阀尺寸可被限制。液压平衡元件，例如波纹管或干式致动器等，变得多余。

在一有利实施例中，阀针包括弹簧座，并且弹簧元件配置在阀体与阀针的弹簧座之间。这允许可靠且准确地配置弹簧元件。

在再一有利实施例中，弹簧元件包括螺旋弹簧，其具有给定数量的弹簧转折(turn)，其中沿着螺旋弹簧的处于相应弹簧转折之间的轴向延伸的至少一部分，配置有可弹性变形材料。由此，弹簧刚度对燃料压力的所需依存性--特别是随燃料压力增加而增加的刚度--可被轻松地实现。

在再一有利实施例中，弹簧元件包括弹性环形管。这允许容易且有成本效益地组装喷射阀。

管特别是空心的，并且具有相对于所述凹部密封的内部。所述内部可以充注有气体，比如空气，或充注有其它流体。处于管的内部中的气体或其它流体优选具有不同于--特别是低于--凹部中的加压流体的压力的压力。

在以下通过示意图的辅助来说明流体喷射阀的示例性实施例。

附图说明

附图中：

图1以纵截面图示出了根据第一示例性实施例的具有阀组件的流体喷射阀，

图2a示出了作用力图，其说明了作用于根据图1的流体喷射阀的弹簧元件的作用力，

图2b示出了根据图1的流体喷射阀的弹簧元件的示意性纵截面图，

图3以纵截面图示出了根据第二示例性实施例的具有阀组件的流体喷射阀，

图4a以纵截面图示出了根据图3的流体喷射阀的弹簧元件，

图4b示出了根据图3的流体喷射阀的弹簧元件的示意性纵截面图，

图5a示出了常规流体喷射阀中的阀针的载荷分布，并且

图5b示出了根据本公开的流体喷射阀的载荷分布。

具体实施方式

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。

图1示出了喷射阀10，其适于投配流体，即流体喷射阀，并且其包括阀组件14和入口管12和致动器单元(这里未示出)。本公开的该实施例或任何其它实施例的喷射阀10可以特别适于向内燃发动机投配燃料。

阀组件14包括具有中心纵向轴线L的阀体20。腔体24配置在阀体20中。阀针22，其沿轴向方向可移动，配置在腔体24中。

流体入口管12在一个轴向端部处具有流体入口部分，并且在其相反的轴向端部处固定至阀体20。腔体24液压地联接至燃料连接器(这里未示出)和流体入口管12的凹部44。燃料连接器被设计成连接至内燃发动机的高压燃料室，其中燃料被存储在高压下。高压室可以例如是燃料轨。

喷射阀10为向外打开型。

在腔体24的自由端部之一上，形成流体出口部分28，其根据阀针22的轴向位置而关闭或打开。在阀针22的关闭位置外，在喷射阀10的背离流体入口管12的轴向端部处在阀体20与阀针22之间存在间隙。该间隙形成阀喷嘴。

此外，阀针22具有下阀针部42。下阀针部42具有沟槽46。沟槽46具有基本上环形的形状。沟槽46允许流体流动至流体出口部分28。

在下阀针部42的背离流体入口管12的轴向端部处，阀针22具有尖部50。优选地，尖部50可以为例如锥形、截头锥形或半球形。尖部50与阀体20协同操作，以防止或允许流体流动穿过流体出口部分28。

流体被引导从流体入口管12的流体入口部分穿过凹部44，并进一步穿过腔体24至下阀针部42，以被继续引导穿过沟槽46至阀针22的尖部50附近的流体出口部分28。在阀针22的关闭位置，阀针22阻止流体流动穿过阀体20中的流体出口部分28。

阀针可轴向地沿流体流向流体出口部分28的方向即朝图1中的下方移动远离关闭位置。当阀针移动离开关闭位置时，纵向地突出超过阀体20的尖部50沿下游方向移动进一步远离阀体20。

阀组件14设置有致动器单元(这里未示出)，其优选为电磁致动器。然而，致动器单元16也可以包括其它类型的致动器，其为此目的对本领域技术人员是已知的。这种其它类型的致动器可以是例如压电致动器。

电磁致动器单元包括线圈(这里未示出)，其优选配置在壳体(这里未示出)内。此外，电磁致动器单元包括电枢(这里未示出)。电枢例如与阀针22机械地联接，并且沿着中心纵向轴线L可轴向地移动。线圈配置成与电枢相互作用。线圈被设计和配置成使电枢向流体出口部分28的方向移动。

电枢与阀针22协同操作，使得由线圈相对于电枢3生成的至少一部分升力被传递至阀针22，由此使阀针22移动到其打开位置。

弹簧元件30配置在设置于流体入口管12中的凹部44中。例如，阀针22包括弹簧座34，并且弹簧元件30配置在阀体20与阀针22的弹簧座34之间。例如，阀体20包括用于弹簧元件30的支撑元件。支撑元件可以与阀体20一体地形成。阀体20和阀针22的弹簧座34支承弹簧元件30。弹簧元件30被配置为作用于阀针22，以便沿轴向方向将阀针22移动到其关闭位置，并克服流体的液压作用力将阀针22保持在其关闭位置。弹簧元件30被构造成使得弹簧元件30的弹簧刚度取决于凹部44中的流体压力。

弹簧元件30可以迫使阀针22沿纵向上游方向移动。当致动器单元16特别是线圈被断电时，弹簧30是可操作的，以迫使阀针22沿上游轴向方向移动到其关闭位置。

在图1中示出的实施例中，弹簧元件30包括弹性环形管56。优选地，环形管56是中空管。管的内部特别密封于凹部44，即与凹部44液压地分离。它可以例如充注有气体，比如空气或其它流体，其可以是与从流体喷射阀10分配的流体相同的流体或者另一种流体。

图2a示出了作用力图的一个示例，其说明基于凹部44中的流体的燃料压力的弹簧刚度的变化。

凹部44中的加压流体的燃料压力p_F作用于环形管56的表面A，并在表面A上生成作用力F。作用力F沿着环形管56的周缘产生应变作用力U。应变作用力U可被分解为其向量分量。这些分量之一为纵向轴向作用力V。

可借助于以下公式算出所得弹簧刚度：

A=r*θ 公式1

Ao=r*sinθ 公式2

Ao=(A/θ)*sinθ

F=(p_F-P0)/A 公式3

U*cosα=F/2 公式4

V=U*sinα 公式5

V=(F/2)*tanα

V=[[Ao*(p_F-P0)]*tanα]/2

K0=L/δ 公式6

K=(L+V)/δ 公式7

其中，p_F是燃料压力，而P0是环形管56内的气体或其它流体的压力，因此p_F-P0代表有效燃料压力。Ao是有效表面。K0是基本弹簧刚度，代表在p_F等于P0的状态下施加载荷L时环形管56被压缩距离δ。K*是p_F不等于P0时的所得弹簧刚度。

纵向轴向作用力V是支持阀针关闭功能的作用力分量。因此，流体压力p_F的增加导致纵向轴向作用力V增加。

如从公式7可看出的，所得弹簧刚度K*基于纵向轴向作用力V而增加。

图2b示出了源自环形管56上的有效燃料压力p_F-P0的作用力的示例。作用力大致由图2b中的箭头示出。

图3示出了具有另一实施例的弹簧元件30的喷射阀10。弹簧元件30包括螺旋弹簧，其具有给定数量的弹簧转折52，其中沿着螺旋弹簧的处于相应弹簧转折52之间的轴向延伸的至少一部分，配置有可弹性变形材料54。在图3中，可弹性变形材料54例如沿着螺旋弹簧的处于相应弹簧转折52之间的整个轴向延伸配置。弹簧转折52优选完全嵌入可弹性变形材料54中，例如，除上下端部表面外，它们分别沿纵向方向面对上游和下游。弹簧转折52可以在上下端部表面处暴露。这可以允许弹簧元件30特别精确地定位。

图4a示出了螺旋弹簧的透视图，其中可弹性变形材料54被部分地剖切，以便更好地示意。图4b示出了具有可弹性变形材料54的螺旋弹簧的截面图。

弹簧元件30可以有益地定尺寸为使得它在以下时候被压缩：阀针22的弹簧座34与阀体20的弹簧座之间的距离d_H最大时，即阀针22在本实施例中处于关闭位置时。

可弹性变形材料54可以包括橡胶或者由橡胶构成。替代地或附加地，可弹性变形材料54可以包括塑料。随着燃料压力增加，配置在弹簧转折52之间的可弹性变形材料54变得更坚固。此外，借助于该配置，可实现：弹簧刚度随着燃料压力增加而增加，其效果是阀针在燃料压力增加时被更大的作用力保持在其关闭位置。箭头表示燃料压力的方向。

图5a和5b示出了常规阀(图5a)的和如以上实施例所述的流体喷射阀(图5b)的阀针22的载荷分布。在这些图中，作用于阀针22的单位为牛顿(N)的作用力F_N被示为单位为巴的燃料压力p_F的函数。具有正号的作用力F_N趋于迫使阀针22远离关闭位置。具有负号的作用力F_N朝关闭位置偏置阀针。绝对作用力和压力值只应该被理解为是示例性的，并且可以根据流体喷射阀的要求而变化。

点划线代表阀针22上的液压载荷H，其由凹部44中以及腔体24中的加压流体生成。虚线代表朝关闭位置偏置阀针22的弹簧元件30的弹簧载荷S。实线代表由液压载荷H和弹簧载荷S相加得到的阀针22的总阀针载荷T。

在图5a中，常规喷射阀的弹簧元件30具有恒定的弹簧刚度。

当代表总阀针载荷T的实线与代表燃料压力p_F的x轴相交时，喷射器阀在没有线圈激活的情况下打开(见由图5a中指向下方的箭头标记的位置)。这是不可控的操作状况。

在图5b中，如以上实施例所述的流体喷射阀10的弹簧元件30包括可变弹簧刚度。弹簧刚度随流体压力p_F增加而增加。弹簧刚度的增加被构造成使得它补偿或过度补偿液压载荷H随流体压力p_F的增加。在该情况下，代表总阀针载荷T的实线不在任何点处与x轴相交。喷射器阀不会在没有线圈激活的情况下打开。当弹簧刚度增加补偿液压载荷增加时，弹簧元件30的弹簧载荷S和液压载荷H具有相同的梯度。总阀针载荷T在该情况下独立于燃料压力p_F。在梯度不同的情况下，即在过度补偿液压载荷增加的情况下，流体喷射阀的操作压力的压力范围可以进一步得到增加。

Claims

1. 流体喷射阀(10)，包括：

- 具有凹部(44)的流体入口管(12)，

- 阀体(20)，其包括中心纵向轴线(L)，所述阀体(20)包括具有流体出口部分(28)的腔体(24)，

- 阀针(22)，其被接收在所述流体入口管(12)的凹部(44)中以及所述阀体(20)的腔体(24)中，所述阀针(22)相对于所述流体入口管(12)和所述阀体(20)沿轴向可移动，以防止流体流动穿过处于关闭位置的所述流体出口部分(28)，并释放流体流动穿过处于其它位置的所述流体出口部分(28)，和

- 弹簧元件(30)，其配置在所述凹部(44)中，并且可操作以与所述阀针(22)相互作用，来沿轴向方向将所述阀针(22)偏置向其关闭位置，

其中，所述弹簧元件(30)被构造成使得所述弹簧元件(30)的弹簧刚度取决于所述凹部(44)中的流体的压力。

2. 根据权利要求1所述的流体喷射阀(10)，其中，所述阀针(22)包括弹簧座(34)，并且所述弹簧元件(30)配置在所述阀体(20)与所述阀针(22)的弹簧座(34)之间。

3. 根据权利要求1或2所述的流体喷射阀(10)，其中，所述弹簧元件(30)包括可弹性变形材料(54、56)，并且所述弹簧元件(30)被构造成使得所述弹簧元件(30)的弹簧刚度借助于所述可弹性变形材料(45、56)与所述流体相互作用而取决于所述凹部(44)中的流体的压力。

4. 根据权利要求3所述的流体喷射阀(10)，其中，所述弹簧元件(30)包括具有给定数量的弹簧转折(52)的螺旋弹簧，其中沿着所述螺旋弹簧的处于相应弹簧转折(52)之间的轴向延伸的至少一部分，配置有所述可弹性变形材料(54)。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的流体喷射阀(10)，其中，所述弹簧元件(30)包括弹性环形管(56)。

6. 根据权利要求5所述的流体喷射阀(10)，其中，所述管(56)是空心的，并且具有相对于所述凹部(44)密封的内部。

7. 根据权利要求6所述的流体喷射阀(10)，其中，所述内部充注有气体或其它流体。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的流体喷射阀(10)，其被构造成在所述流体出口部分(28)处沿流体的流动方向打开，并且所述弹簧元件(30)是可操作的，以相反于所述流动方向沿纵向方向偏置所述阀针(22)。