CN104775959A - 用于燃烧发动机的阀门组件和流体喷射器 - Google Patents

用于燃烧发动机的阀门组件和流体喷射器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于内燃发动机的流体喷射器(1)的阀门组件(2)。所述阀门组件(2)包括阀体，该阀体具有阀凹部(5)、中心纵向轴线(7)以及相对于所述中心纵向轴线(7)的第一轴向端和第二轴向端。阀针(11)能够在阀凹部(5)内相对于中心纵向轴线(7)轴向移动。阀针(11)在其关闭位置与密封座区域(21)协同地防止流体流过至少一个流动孔(13)，否则允许通过。此外，喷射器(1)包括囊体积台阶(23)和囊体积(25)，囊体积台阶(23)邻近密封座区域(21)且形成阀体的壁(9)的内表面的一部分，囊体积(25)设计为阀凹部(5)的一端且由阀体的壁(9)的内表面的另一部分限制。

Description

用于燃烧发动机的阀门组件和流体喷射器
技术领域
本发明涉及用于内燃发动机的流体喷射器的阀门组件，其中阀门组件包括具有阀凹部和中心纵向轴线的阀体。
背景技术
喷射器被广泛地使用，特别是用于内燃发动机，其中它们可以布置成以便将流体配料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。
由于关于由布置在例如车辆中的内燃发动机产生的污染排放的可容许性的越来越严格的法规，有必要以各种方式采取措施，以便减少这些污染排放。
一种可能的出发点是为了减少由燃烧发动机直接产生的污染排放。例如，在喷射过程之后，当阀针已返回其关闭位置时，在喷嘴顶端区域中的喷射器内部的剩余燃料体积可造成未燃烧的颗粒的沉积。这导致高碳-(也称为HC-)排放和颗粒数量(也称为PN-)排放，并且因此对于满足诸如欧洲排放标准EU6C的法规要求来说是一项挑战。
发明内容
本发明的一个目标是规定一种用于燃烧发动机的喷射器，其有利于可靠且精确的功能并且有助于特别小的污染物排放。
该目标由独立权利要求的特征实现。本发明的有利的实施例在从属权利要求中给出。
提出了一种用于内燃发动机的流体喷射器的阀门组件。此外，提出了一种用于燃烧发动机的流体喷射器，该流体喷射器包括阀门组件和特别地致动器。流体喷射器特别地为燃料喷射器。它可以优选地提供用于将燃料直接喷射进内燃发动机的燃烧室中。
喷射器包括阀体，该阀体具有阀凹部、中心纵向轴线以及相对于中心纵向轴线的第一轴向端和第二轴向端。此外，喷射器包括阀针，该阀针能够在阀凹部内相对于中心纵向轴线轴向移动。阀针在其关闭位置与阀体的密封座区域协同地防止流体流过至少一个流动孔（flow hole），否则允许通过。特别地，当阀针处于关闭位置时，阀针与密封座区域机械接触。
阀体还包括囊体积台阶，其邻近密封座区域且特别地在密封座区域的下游。囊体积台阶形成阀体的壁的内表面的一部分。换句话讲，囊体积台阶由阀体的内周表面的部段限定。
此外，喷射器包括囊体积(sac volume)，其设计为阀凹部的一端并且由阀体的壁的内表面的另一部分限制。内表面的另一部分朝阀体的第一轴向端延伸远离囊体积台阶。喷射器包括至少一个流动孔，其在囊体积的区域中从阀凹部到阀体的外部区域穿透阀体的壁。
包括囊体积台阶的用于燃烧发动机的喷射器的这种设计与相应的流动孔的位置结合能够在囊体积的该区域中实现有利的流场动力学。因此，它有利于在阀针返回至其关闭位置之后从囊体积排空剩余燃料，并且因此有助于减少诸如高碳排放(也称为HC排放)和颗粒数量排放(也称为PN排放)的污染排放。囊体积台阶导致流动的流体的湍流，使得流不再是层流。因此，流动的流体的一些动能可传递到囊体积中的剩余流体，该效应是对排空囊体积的促进因素。在阀针返回至其关闭位置之后减少囊体积的区域中的剩余燃料的另一个优点是避免喷嘴顶端润湿且因此减少PN排放。
根据一个实施例，喷射器包括基本上平行于中心纵向轴线延伸的囊体积台阶。例如，在从第二轴向端朝第一轴向端的过程中，阀体的内周表面到中心纵向轴线的距离在密封座区域中减小，在囊体积台阶的区域中保持恒定，然后在内表面的另一部分的区域中进一步减小。囊体积台阶的这种取向赋予独特的流场动力学和流动条件，以用于在阀针返回至其关闭位置之后排空囊体积，并且有助于使囊体积内部保持极少剩余燃料。囊体积台阶的台阶高度由囊体积台阶的轴向长度表示。例如，囊体积台阶可具有在0.01mm和0.15mm之间的范围内的台阶高度，包括端值。
根据另一个实施例，流动孔的入口布置成靠近囊体积台阶，并且特别地相比中心纵向轴线更靠近囊体积台阶。在此上下文中，在流动孔的入口和囊体积台阶之间的距离可以例如小于0.1mm。
流动孔的这种布置有利于流场动力学，并且在阀针返回至其关闭位置之后可以进一步促进从囊体积排空剩余燃料。
根据另一个实施例，限制囊体积的阀体的壁的内表面的另一部分包括邻近囊体积台阶的圆锥形区域。在此上下文中，圆锥形区域具有在朝阀体的第一轴向端的方向上减小的到中心纵向轴线的距离。在130°和150°之间（包括端值）的圆锥形区域的圆锥角对于流动的流体的流动条件是优选的。
此外，参照相对于中心纵向轴线的横截面，在囊体积台阶的区域中阀凹部的自由空间的第一直径由囊体积台阶的相对侧的几何距离表示。例如，在囊体积台阶平行于中心纵向轴线延伸的情况中，第一直径可以在1.0mm和1.4mm之间的范围内，包括端值。
根据另一个实施例，限制囊体积的阀体的壁的内表面的另一部分包括邻近圆锥形区域的平坦形底部区域。在此上下文中，底部区域的平坦形状相对于中心纵向轴线基本上垂直。例如，平坦形底部区域的尺寸通过第二直径来区分。在这种情况下，第二直径可以在从0.4mm至0.8mm的范围内，包括端值。
根据另一个实施例，限制囊体积的阀体的壁的内表面的另一部分包括邻近圆锥形区域的球形底部区域。球形底部区域的尺寸由其半径表示，该半径也可表示为凹痕半径。优选地，凹痕半径在0.2mm至0.4mm之间。这允许在一次喷射过程之后从流动的流体向囊体积内部的剩余流体的有效的能量传递。因此，它有利于用于在阀针返回至其关闭位置之后排空囊体积的流动条件。
根据另一个实施例，限制囊体积的阀体的壁的内表面的另一部分包括邻近圆锥形区域的圆锥形底部区域。在此上下文中，圆锥形底部区域的圆锥形状相比圆锥形区域具有相对于中心纵向轴线的不同角度，并且具有在朝阀体的第一轴向端的方向上减小的到中心纵向轴线的距离。优选地，圆锥形区域的圆锥角在130°和150°之间，而圆锥形底部区域的圆锥角在90°和120°之间。此外，圆锥形底部区域的有利高度在从0.2mm至0.4mm的范围内。在此上下文中，圆锥形底部区域的高度表示从其中圆锥形区域的圆锥形状不同于圆锥形底部区域的圆锥形状的点到其中阀凹部在朝阀体的第一轴向端的方向上结束的点的平行于中心纵向轴线的几何长度。此外，阀体的壁的内表面的另一部分包括限制囊体积的邻近圆锥形底部区域的内表面的球形部分。换句话讲，球形部分在从第二轴向端朝第一轴向端的轴向方向上定位在圆锥形底部区域之后。
根据另一个实施例，喷射器的流动孔的入口布置在囊体积的圆锥形区域中。流动孔的这种定位有利于剩余燃料通过流动孔流出阀体并且因此有利于在喷射过程之后当阀针已返回至其关闭位置时囊体积的可靠排空。
结合囊体积台阶基本上平行于中心纵向轴线延伸，以及包括限制囊体积的阀体的壁的内表面的另一部分的底部区域的一种特殊形状，当例如流动孔布置在圆锥形区域中时，特别有利于在喷射过程之后防止囊体积内部剩余燃料的流动条件。
附图说明
下文借助于示意图和附图标记解释本发明的示例性实施例。相同的附图标记标示具有相同功能的元件或部件。在附图中：
图1以纵向剖视图示出喷射器，
图2示出喷射器的喷嘴顶端主体的放大侧视图，
图3示出喷射器的囊体积的一个示例性实施例，
图4示出喷射器的囊体积的另一个示例性实施例，
图5示出喷射器的囊体积的另一个示例性实施例。
具体实施方式
图1示出具有喷嘴组件2和致动器4的喷射器1。致动器4在功能上与喷嘴组件2相互作用。
喷嘴组件2包括阀体。阀体包括阀体部分3和喷嘴顶端主体15。喷嘴顶端主体15固定地联接到阀体部分3。备选地，阀体部分3和喷嘴顶端主体15可以是单件。致动器4包括喷射器主体6。阀体部分3例如通过喷嘴夹紧螺母固定地联接到喷射器主体6。阀体部分3和喷射器主体6形成喷射器1的公共外壳。
阀体具有中心纵向轴线7。它包括限定阀凹部5的壁9。此外，阀体包括第一轴向端和第二轴向端，其中，喷嘴顶端主体15定位在阀体的第一轴向端处。在阀凹部5内，阀针11布置成能够相对于阀体关于中心纵向轴线轴向移动。阀针11具有圆形端部部分12并且通过弹簧元件17偏置。圆形端部部分12可以是球，其在面朝阀体的第一轴向端的阀针11的轴向端处固定到阀针11的轴。
致动器4具有线圈19以用于生成磁场。致动器4能操作用于借助于磁场致动阀针11，使得阀针11能对抗弹簧元件17的偏置沿着中心纵向轴线7的方向进行移动。
喷嘴顶端主体15限制阀凹部5的自由空间。喷嘴顶端主体15包括至少一个流动孔13。换句话讲，除了至少一个流动孔13之外，喷嘴顶端主体15在第一轴向端处闭合阀凹部5。
喷嘴顶端主体15还包括密封座区域21，阀针11密封地搁置在密封座区域21中，其中阀针的圆形端部部分12由于作用于阀针上的力（其中一个力为来自弹簧元件17的弹簧力）而处于关闭位置。下面将参照图2至图5解释喷嘴顶端主体15的细节。
根据作用于阀针11上的力(特别地包括弹簧元件17的弹簧力和由致动器4传递到阀针11的力)的力平衡，阀针11能够移出和移入其关闭位置以允许或防止流体通过流动孔13的流动。一种致动力由弹簧元件17施加在关闭位置的方向上。另一种致动力由线圈19施加，以便使阀针11离开其关闭位置朝打开位置移动。液压力是作用于阀针11上的另一种力，其可由流体在阀针11的关闭位置的方向上施加(特别地由于压差)。流体可以是例如汽油或柴油。
在下述图2至图5中，示出了图1的区域20的放大视图，该图显示了喷嘴顶端主体15的示例性结构设计。
在图2中，示出了图1的区域20的放大视图，其显示了喷射器1的喷嘴顶端主体15的示例性结构设计。该放大视图是喷嘴顶端主体15的纵向剖视图。
阀针11在其关闭位置与密封座区域21协同地防止流体流过流动孔13，否则允许通过。换句话讲，当阀针11处于关闭位置时，阀针11的圆形端部部分12邻接密封座区域21，以防止流体流通过流动孔13。致动器4能操作用于朝阀体的第二轴向端轴向地移置阀针11，以在密封座区域21和圆形端部部分12之间建立间隙，以允许流体流从第二轴向端通过间隙流到流动孔13并且进一步通过流动孔13流出阀体。
在喷射过程期间，流体在阀凹部5的自由空间中在从阀体的第二轴向端朝第一轴向端的方向上流动。接着，流体经过密封座区域21并且随后经过囊体积台阶23，囊体积台阶23形成阀体的壁9的内表面的一部分。流体的一部分可直接经过流动孔13的入口并且离开阀体到喷射器1的外部区域。流体的特别小的另一部分进入囊体积25，囊体积25设计为阀凹部5的一端并且由阀体的壁9的内表面的另一部分限制。由于囊体积台阶23，流动条件变化，并且流体的流不再是层流。湍流发展并且影响流体流动力学，这有利于流体的进一步流动。
在阀针11恢复与密封座区域21接触之后囊体积25内部剩余的燃料可引起污染物排放。由于由囊体积台阶23产生的引入的湍流，流动的流体的一些动能可被传递到囊体积25内部剩余的燃料。剩余的燃料的该动能有助于将剩余流体的特别大的部分(或优选地所有剩余流体)通过流动孔13分配到喷射器1的阀体之外。
这样，囊体积台阶23有助于在阀针11返回至其关闭位置之后排空囊体积25，并且因此降低喷嘴顶端润湿和污染物排放的风险。为了产生有利的流动条件，优选的是囊体积台阶23基本上平行于中心纵向轴线7延伸并且流动孔13布置成靠近囊体积台阶23，如图2所示。
在图3中，示出了图1中的喷射器1的区域20的另一个放大视图，特别是囊体积25的内表面的详图。
在该示例性实施例中，邻近密封座区域21的囊体积台阶23基本上平行于中心纵向轴线7延伸。邻近囊体积台阶23的圆锥形区域31具有在阀体的第一轴向端的方向上到中心纵向轴线7的减小的距离。圆锥形区域31具有圆锥角alpha。在一个有利的实施例中，圆锥形区域31的圆锥角alpha在130°至150°之间。参照相对于中心纵向轴线7的横截面，在囊体积台阶23的区域中阀凹部5的自由空间的第一直径D由囊体积台阶23的相对侧的几何距离表示。优选地，第一直径D在1.0mm至1.4mm之间。此外，邻近圆锥形区域31的底部区域33形成限制囊体积25的阀体的壁9的内表面的另一部分。在该示例性实施例中，底部区域33具有由阀体的壁9的内表面的一部分限定的平坦形状。底部区域33的尺寸可由例如第二直径d表征。在此上下文中，一个有利的实施例将包括在0.4mm至0.8mm之间的第二直径d。此外，囊体积台阶23由台阶高度H区别，并且囊体积台阶23的台阶高度H可以在从0.01mm至0.15mm的范围内。
邻近密封座区域21的囊体积台阶23和邻近囊体积台阶23的囊体积25的这种特定设计是一个有利的实施例，以产生特殊的流体流动力学并因此允许在阀针11已返回至其关闭位置时可靠地排空囊体积25并因此避免喷嘴顶端润湿。
在图4中，示出了根据针对囊体积25的形状的另一个示例性实施例的喷射器1的区域20的详图。
在该实施例中，底部区域33包括阀体的壁9的内表面的另一球形形状部分，而不是此前的实施例的平坦形状。如在此前的实施例中那样，流动孔13的入口（在图中仅示出其中一个)定位在侧向围绕底部区域33的圆锥形区域31内。底部区域33的球形形状赋予独特的流场动力学，以促进囊体积25的排空并减少喷射器1内部的剩余燃料。球形底部区域33可具有半径R。在一个有利的实施例中，半径R具有在0.2mm和0.4mm之间的值。
在图5中，示出了囊体积25的又一个形状。该囊体积25的底部区域33包括形成底部区域33的阀体的壁9的内表面的另一圆锥形部分。该另一圆锥形部分位于邻近且特别地邻接圆锥形区域31处。邻近在其远离圆锥形区域31的一侧上的另一圆锥形部分，底部区域33包括阀体3的壁9的内表面的球形部分，以在朝阀体3的第一轴向端的方向上限制囊体积25。
圆锥形底部区域33具有圆锥角beta。优选地，圆锥形底部区域33的圆锥角beta在90°至120°之间。囊体积25的这种特定设计是一种可能，其赋予独特的流场动力学，以用于从囊体积25排空剩余燃料。

Claims (14)

1. 一种用于燃烧发动机的流体喷射器(1)的阀门组件(2)，包括：
- 阀体，其具有阀凹部(5)、中心纵向轴线(7)以及相对于所述中心纵向轴线(7)的第一轴向端和第二轴向端，
- 阀针(11)，其能够在所述阀凹部(5)内相对于所述中心纵向轴线(7)轴向移动，并且在其关闭位置与所述阀体的密封座区域(21)协同地防止流体流过至少一个流动孔(13)，否则允许通过，
- 邻近所述密封座区域(21)的囊体积台阶(23)，其形成所述阀体的壁(9)的内表面的一部分，
- 囊体积(25)，其设计为所述阀凹部(5)的一端并且由所述阀体的所述壁(9)的所述内表面的另一部分限制，并且所述内表面的所述另一部分朝所述阀体的所述第一轴向端而延伸远离所述囊体积台阶(23)，以及
- 至少一个流动孔(13)，其在所述囊体积(25)的区域中从所述阀凹部(5)到所述阀体的外部区域穿透所述阀体的所述壁(9)。
2. 根据权利要求1所述的阀门组件(2)，其中，所述囊体积台阶(23)基本上平行于所述中心纵向轴线(7)延伸。
3. 根据权利要求2所述的阀门组件(2)，其中，所述囊体积台阶(23)具有在0.01mm和0.15mm之间的范围内的台阶高度(H)，包括端值，并且在所述囊体积台阶(23)的区域中所述阀凹部(5)的自由空间的直径(D)具有在1.0mm和1.4mm之间的范围内的值，包括端值。
4. 根据权利要求1至3中的一项所述的阀门组件(2)，其中，所述流动孔(13)的入口布置成靠近所述囊体积台阶(23)。
5. 根据权利要求3和4所述的阀门组件(2)，其中，在所述流动孔的所述入口和所述囊体积台阶之间的距离小于0.1mm。
6. 根据权利要求1至5中的一项所述的阀门组件(2)，其中，限制所述囊体积(25)的所述阀体的所述壁(9)的所述内表面的所述另一部分包括邻近所述囊体积台阶(23)的圆锥形区域(31)，其中，所述圆锥形区域(31)具有在朝所述阀体的所述第一轴向端的方向上减小的到所述中心纵向轴线(7)的距离。
7. 根据权利要求6所述的阀门组件(2)，其中，限制所述囊体积(25)的所述阀体的所述壁(9)的所述内表面的所述另一部分包括邻近所述圆锥形区域(31)的平坦形底部区域(33)，其中，所述底部区域(33)的所述平坦形状相对于所述中心纵向轴线(7)基本上垂直。
8. 根据权利要求7所述的阀门组件(2)，其中，所述平坦形底部区域具有的直径(d)具有在从0.4mm至0.8mm的范围内的值，包括端值。
9. 根据权利要求6所述的阀门组件(2)，其中，限制所述囊体积(25)的所述阀体的所述壁(9)的所述内表面的所述另一部分包括邻近所述圆锥形区域(31)的球形底部区域(33)。
10. 根据权利要求9所述的阀门组件(2)，其中，所述球形底部区域具有的半径具有在0.2mm至0.4mm的范围内的值，包括端值。
11. 根据权利要求6所述的阀门组件(2)，其中
- 限制所述囊体积(25)的所述阀体的所述壁(9)的所述内表面的所述另一部分包括邻近所述圆锥形区域(31)的圆锥形底部区域(33)，其中，所述圆锥形底部区域(33)的圆锥形状不同于所述圆锥形区域(31)的形状并且具有在朝所述阀体的所述第一轴向端的方向上减小的到所述中心纵向轴线(7)的距离，并且
- 所述阀体的所述壁(9)的所述内表面的所述另一部分包括邻近所述圆锥形底部区域(33)的所述内表面的另一球形部分。
12. 根据权利要求11所述的阀门组件(2)，其中，所述圆锥形区域(31)的圆锥角具有在130°和150°之间的值，而所述圆锥形底部区域的圆锥角具有在90°和120°之间的值，并且其中，所述圆锥形底部区域的所述高度(h)在从0.2mm至0.4mm的范围内。
13. 根据前述权利要求中的一项所述的阀门组件(2)，
其中，所述流动孔(13)的所述入口布置在所述囊体积(25)的所述圆锥形区域(31)中。
14. 一种包括根据前述权利要求中的一项所述的阀门组件(2)的用于内燃发动机的流体喷射器(1)。
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