CN104813019A - 具有非铸造的三维喷嘴出口面的燃料喷射器 - Google Patents

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大卫·H·雷丁杰
斯科特·M·施诺布里克
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Abstract

本发明公开了喷嘴以及制造喷嘴的方法。本发明所公开的喷嘴具有入口面和与该入口面相背对的三维出口面。该喷嘴可具有从入口面延伸至出口面的一个或多个喷嘴通孔。本发明还公开了包含喷嘴的燃料喷射器。本发明另外公开了制造和使用喷嘴和燃料喷射器的方法。

Description

具有非铸造的三维喷嘴出口面的燃料喷射器
技术领域
本发明一般涉及适用于内燃机的燃料喷射器的喷嘴。本发明还适用于组装此类喷嘴的燃料喷射器。本发明还涉及制造此类喷嘴的方法，以及制造组装此类喷嘴的燃料喷射器的方法。本发明还涉及在车辆中使用喷嘴和燃料喷射器的方法。
背景技术
存在三种基本类型的燃料喷射器系统。这些系统使用进气口燃料喷射(PFI)、汽油直接喷射(GDI)和直接喷射(DI)。PFI和GDI使用汽油作为燃料，而DI使用柴油燃料。人们仍在继续努力进一步研制燃料喷射器喷嘴和包含燃料喷射器喷嘴的燃料喷射系统，以便潜在地提高燃料效率、减少内燃机的危害性排放，以及降低包含内燃机的车辆的总体能量需求。
发明内容
本发明涉及燃料喷射器喷嘴。在一个示例性实施例中，燃料喷射器喷嘴包括：入口面；出口面，该出口面与入口面相背对；以及至少一个喷嘴通孔，该至少一个喷嘴通孔包括位于入口面上的至少一个入口开口，该至少一个入口开口通过由内表面限定的腔体连接至位于出口面上的至少一个出口开口，其中出口面包括从出口面的一部分延伸的至少一个出口面结构。
在另一个示例性实施例中，燃料喷射器喷嘴包括：入口面；出口面，该出口面与入口面相背对；以及至少一个喷嘴通孔，该至少一个喷嘴通孔包括位于入口面上的至少一个入口开口，该至少一个入口开口通过由内表面限定的腔体连接至位于出口面上的至少一个出口开口，其中出口面包括位于其暴露表面上的防污结构。
本发明还涉及燃料喷射器。在一个示例性实施例中，燃料喷射器包括本发明的本文所公开的喷嘴中的任一种喷嘴。
本发明甚至还涉及燃料喷射系统。在一个示例性实施例中，燃料喷射系统包括本发明的本文所公开的种喷嘴或燃料喷射器中的任一种喷嘴或燃料喷射器。
本发明还涉及制造喷嘴的方法。在一个示例性实施例中，制造本发明喷嘴的方法包括制造本文所述的喷嘴中的任一种喷嘴。
在另一个示例性实施例中，本发明的制造喷嘴的方法包括提供包括喷嘴材料的喷嘴预成形件(nozzle perform)以及用于形成至少一个喷嘴通孔的至少一个腔体；以及移除喷嘴材料以便将至少一个腔体形成为至少一个喷嘴通孔，并且形成从喷嘴的出口面的一部分延伸的至少一个出口面结构。
本发明还涉及燃料喷射器的制造方法。在一个示例性实施例中，制造燃料喷射器的方法包括将本文所述的喷嘴中的任一种喷嘴组装到燃料喷射器中。
本发明还涉及制造车辆的燃料喷射系统的方法。在一个示例性实施例中，制造车辆燃料喷射系统的方法包括将本文所述的喷嘴或燃料喷射器中的任一种喷嘴或燃料喷射器组装到燃料喷射系统中。
附图说明
结合附图对本发明的各种实施例所作的以下详细描述的考虑将更完整地理解和体会本发明，其中：
图1为本发明的示例性喷嘴的侧视图；
图2为图1中所示的示例性喷嘴的剖面图；
图3为本发明的另一种示例性喷嘴的侧视图；
图4-5为本发明的其他示例性喷嘴的透视图；
图6-9为本发明的其他示例性喷嘴的剖面图；
图10-12为适用于在本发明的喷嘴上的示例性防污微观结构的放大透视图；
图13为本发明的示例性燃料喷射器系统的示意图；
图14为示例性方法步骤的剖面图，其中使用材料移除工具从喷嘴移除喷嘴材料；
图15为适用于图14中所示的材料移除步骤的示例性材料移除工具的透视图；
图16a-e示出适用于图14中所示的材料移除步骤的示例性材料移除工具的剖面图；
图17a-e示出使用图16a-e中所示的材料移除工具形成的示例性出口表面特征结构/轮廓的剖面图；以及
图18为适用于图14中所示的材料移除步骤的另一种示例性材料移除工具的透视图；
在说明书中，多个附图中使用的相同的附图标号是指具有相同或类似属性和功能的相同或类似元件。
具体实施方式
本发明所公开的喷嘴表现了对以下文献中所公开的喷嘴的改进：(1)于2011年2月3日公布的国际专利申请公开WO 2011/014607，和(2)于2012年2月2日提交的国际专利申请序列号US2012/023624(3M代理人案卷号67266WO003，标题为“Nozzle and Method of Making Same”)，这两个专利申请的主题和公开内容均全文以引用的方式并入本文。本发明所公开的喷嘴相比本文所述的现有喷嘴具有一个或多个优点。例如，本发明所公开的喷嘴可有利地装入燃料喷射器系统中以提高燃料效率。本发明所公开的喷嘴可使用与国际专利申请公开WO 2011/014607和国际专利申请序列号US2012/023624中公开的工艺类似的多光子(诸如双光子)工艺制成。具体地讲，可使用多光子工艺来制造可至少包括一个或多个孔成形特征结构的各种微观结构。此类孔成形特征结构可继而用作模具以制造在喷嘴或其他应用中使用的孔。
应当理解，在本领域中，术语“喷嘴”可具有多种不同的含义。在一些具体的参考文献中，术语喷嘴具有广泛的定义。例如，美国专利公布2009/0308953A1(Palestrant等人)公开了一种“雾化喷嘴”，该雾化喷嘴包括具有遮光板室50的多个元件。这区别于用此方法给出的对喷嘴的理解和定义。例如，当前说明书中的喷嘴将通常对应于Palestrant等人的孔插件24。一般来讲，当前说明书中的喷嘴可被理解为雾化喷雾系统的末端锥形部分，喷雾最终从雾化喷雾系统的末端锥形部分喷出，参见例如韦氏词典(Merriam Webster′s Dictionary)对喷嘴的定义(“具有用于(如在软管上)对流体流加速或引导的圆锥或缩紧部的短管”。其他的理解可参见授予日本刈谷市的日本电装株式会社(Nippondenso Co.，Ltd.(Kariya，Japan))的美国专利5,716,009(Ogihara等人)。在该参考文献中，流体喷射“喷嘴”再一次被广义地定义为多段阀元件10(“燃料喷射阀10用作流体喷射喷嘴......”-参见Ogihara等人的专利的第4栏第26-27行)。在本文中所使用的术语“喷嘴”的当前定义和理解应涉及例如第一孔板130和第二孔板132，还可能潜在涉及例如套筒138(参见Ogihara等人的专利的图14和图15)，其紧邻燃料喷雾定位。对与本文描述的术语“喷嘴”的类似的理解用于授予日本茨城县的日立株式会社(Hitachi，Ltd.(Ibaraki，Japan))的美国专利5，127,156(Yokoyama等人)中。这里，将喷嘴10与连接的和一体化的结构的元件独立地定义，诸如“旋流器”12(见图1(II))。当在本说明书和权利要求书的整个其余内容中提及术语“喷嘴”时，应当理解上述定义。
图1-9示出了本发明的示例性喷嘴10的各种视图。如图1-9中所示，喷嘴10包括三维出口面14。通常，喷嘴10包括“非铸造”三维出口面14。如本文所用，术语“非铸造”是指喷嘴10的出口面14不是通过类似例如精压或压印操作的变形工艺形成的，或具有出口面结构143的至少出口面14为非铸造的。如下文进一步描述的，喷嘴10的出口面14可通过例如材料沉积工艺(如，通过电镀沉积)与随后的材料移除工艺(如，使用电火花加工或EDM工具)形成。
如图1-9中所示，本发明的喷嘴10还可包括多个任选的另外的特征结构。合适的任选的另外的特征结构包括但不限于一个或多个重叠的出口表面部分149、沿着出口面14的任何部分定位的一个或多个抗结焦微观结构150以及沿着出口面14的任何部分的一个或多个流体喷射结构。
如图1-9中所示，本发明的喷嘴10可包括喷嘴通孔15，其中每个喷嘴通孔15独立地包括以下特征结构：(i)入口开口151的尺寸和形状，(ii)出口开口152的尺寸和形状，以及(iii)可包括一个或多个弯曲部分157、一个或多个线性部分158或一个或多个弯曲部分157和一个或多个线性部分158的组合的内表面154的轮廓。针对每个独立的喷嘴通孔15选择这些特征结构，使喷嘴10能够(1)通过喷嘴通孔15提供基本上等同的流体流，(2)通过喷嘴通孔15提供可变的流体流(即，流体流在喷嘴通孔15和另一个喷嘴通孔之间是不同的)，(3)提供从喷嘴通孔15排出的单方向或多方向的流体流，(4)提供从喷嘴通孔15排出的线性和/或弯曲流体流，以及(5)提供从喷嘴通孔15排出的平行和/或分散和/或先平行后分散的流体流。
在一些实施例中，喷嘴通孔15中的至少一个喷嘴通孔具有入口开口151流动轴、腔体153流动轴和出口开口152流动轴，并且至少一个流动轴与至少另一个流动轴不同。如本文所用，“流动轴”被定义为燃料流入、流经或流出喷嘴通孔15时的燃料流的中心轴。就具有多个入口开口151、多个出口开口152或两者兼具的喷嘴通孔15而言，喷嘴通孔15可具有与多个开口151/152中的每一个开口相对应的不同流动轴。
在一些实施例中，入口开口151流动轴可与出口开口152流动轴不同。在其他实施例中，入口开口151流动轴、腔体153流动轴和出口开口152流动轴中的每一者彼此不同。在其他实施例中，喷嘴通孔15具有腔体153，该腔体被操作性地调整(如，尺寸、构造或以其他方式进行设计)，使得流经其中的燃料具有弯曲的流动轴。
有助于流动轴的这种差异的因素的实例可包括但不限于以下因素的任何组合：(1)(i)腔体153与(ii)入口面11和/或出口面14之间的不同角度，(2)入口开口151和/或腔体153和/或出口开口152彼此不对齐或平行，或沿着不同方向对齐，或平行但不对齐，或交叉但不对齐，和/或(3)两条或三条不对齐的线段可具有的任何其他可想象的几何关系。
本发明所公开的喷嘴10可包括任一种本发明所公开的喷嘴特征结构或两种或更多种本发明所公开的喷嘴特征结构的任意组合(或基本上由任一种本发明所公开的喷嘴特征结构或两种或更多种本发明所公开的喷嘴特征结构的任意组合组成，或由任一种本发明所公开的喷嘴特征结构或两种或更多种本发明所公开的喷嘴特征结构的任意组合组成)。另外，尽管图中未示出和/或本文中未详细描述，本发明的喷嘴10还可包括以下专利申请中所公开的一种或多种喷嘴特征结构(1)于2012年8月1日提交的美国临时专利申请序列号61/678,356(3M代理人案卷号69910US002，标题为“Targeting of Fuel Output by Off-Axis Directing of Nozzle OutputStreams”)，(2)于2012年8月1日提交的美国临时专利申请序列号61/678,330(3M代理人案卷号69911US002，标题为“Fuel Injector Nozzleswith at Least One Multiple Inlet Port and/or Multiple Outlet Port”)，(3)于2012年8月1日提交的美国临时专利申请序列号61/678,305(3M代理人案卷号69912US002，标题为“Fuel Injectors with Improved Coefficient of FuelDischarge”)，以及(4)于2012年8月1日提交的美国临时专利申请序列号61/678,288(3M代理人案卷号69913US002，标题为“Fuel Injectors withNon-Coined Three-dimensional Nozzle Inlet Face”)，所述专利申请中的每一个专利申请的主题和公开内容均全文以引用方式并入本文。
本发明所公开的喷嘴10可使用任何方法形成，只要所得的喷嘴10的出口面14具有本文所述的出口面14特征结构即可。尽管本发明的制造喷嘴10的方法并不限于国际专利申请序列号US2012/023624中所公开的方法，但本发明的喷嘴10可使用国际专利申请序列号US2012/023624中所公开的方法结合本文所公开的方法步骤形成。具体地讲，所述方法步骤参考国际专利申请序列号US2012/023624的图1A-1M。
另外的实施例
喷嘴实施例
1.一种燃料喷射器喷嘴10，包括：入口面11，所述入口面具有入口面外周边19；出口面14，所述出口面与所述入口面11相背对并具有出口面外周边19’；以及至少一个喷嘴通孔15，所述至少一个喷嘴通孔包括位于所述入口面11上的至少一个入口开口151，所述至少一个入口开口通过由内表面154限定的中空腔体153连接至位于所述出口面14上的至少一个出口开口152，其中所述出口面14包括从所述出口面14的一部分向外或向上延伸的至少一个出口面结构143。如图1-2é-中所示，例如入口面外周边19与出口面外周边19’从垂直延伸穿过喷嘴10的居中定位的法线20延伸相同的距离。然而，应当理解，在其他实施例中，入口面外周边19和出口面外周边19’中的每一者可从居中定位的法线20延伸不同的距离(如，与入口面外周边19的一部分或全部从居中定位的法线20延伸的距离相比，出口面外周边19’的一部分或全部可从居中定位的法线20延伸更长的距离)。
2.根据实施例1所述的喷嘴10，其中所述至少一个出口面结构143包括向外或向上延伸(如，垂直延伸)部分145’(如，壁)的侧表面145，并且所述出口面14包括位于所述侧表面145的基部或换句话讲邻近所述侧表面的基部表面142，使得所述侧表面145与所述基部表面142形成第一角度P。
3.根据实施例2所述的喷嘴10，其中所述第一角度P在约15°至约165°的范围内，或在单位增量为一度的两者间的任意范围内(如，约16°至约165°、约15°至约164°、约16°至约164°、约25°至约125°、约30°至约90°、约45°至约135°等)，或为所述范围内的单位增量为一度(如，约30°、45°、60°、75°、90°等)的任意角度。
4.根据实施例2或3所述的喷嘴10，其中所述第一角度P在约45°至约135°的范围内。
5.根据实施例2至4中任一项所述的喷嘴10，其中所述第一角度P为约90°。
6.根据实施例2至5中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个出口面结构143包括上部141’，所述上部通常为暴露表面141并且从所述基部表面142向外定位并且在所述基部表面上方一段距离ds。通常，ds大于约200微米(μm)并且最高至约2500μm(或为介于200μm和2500μm之间的任意长度，或为介于200μm和2500μm之间增量为1.0μm的长度范围)。
7.根据实施例6所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分沿着所述出口面结构143的所述上部141’定位，或换句话讲位于所述出口面结构143的所述上部141’上。参见例如图4中所示的喷嘴10的喷嘴喷孔15的出口开口152的出口开口周边152’。
8.根据实施例2至7中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个出口面结构143包括从所述侧表面145延伸出的至少一个或多个重叠或突出部分149，以便其位于所述基部表面142的一部分上方一段距离ds处。如上文所述，通常，ds大于约200微米(μm)并且最高至约2500μm(或为介于200μm和2500μm之间的任意长度，或为介于200μm和2500μm之间增量为1.0μm的长度范围)。参见例如图3中所示的喷嘴10。
9.根据实施例1至8中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152’定位在所述至少一个出口面结构143上或至少靠近所述至少一个出口面结构143。参见例如图1-6中所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152的出口开口周边152’。
10.根据实施例1至9中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152’被操作性地调整(如，尺寸、构造或以其他方式进行设计)以引导燃料(如，以料流形式)(未示出)从所述至少一个出口开口152排出，以便以钝角、锐角或直角接触或冲击所述至少一个出口面结构143。以这种方式，排出的燃料可以破碎为更小的液滴，被导向远离出口面结构143的特定位置或空间(即，喷嘴出口面152以外)或两者。以这种方式，排出的燃料在冲击出口面结构143后，还可被导向出口面14的基部表面142的一部分，并从出口面14的基部表面142的一部分反射。排出的燃料还可在一个或多个出口面结构143与出口面14的基部表面142之间来回反射。参见例如图6所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152。
11.根据实施例1至10中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分沿着所述至少一个出口面结构143的一部分定位，或换句话讲位于所述至少一个出口面结构143的一部分上。参见例如图1-6所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152的出口开口周边152’。
12.根据实施例2至11中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分沿着所述出口面结构143的所述侧表面145定位，或换句话讲位于所述出口面结构143的所述侧表面145上。参见例如图1-4所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152的出口开口周边152’。
13.根据实施例7至12中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分沿着所述至少一个或多个重叠或突出部分149定位，或换句话讲位于所述至少一个或多个重叠或突出部分149上。参见例如图7所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152的出口开口周边152’。
14.根据实施例7至13中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152至少部分地被所述出口面结构143的所述至少一个或多个重叠或突出部分149覆盖。以这种方式，从出口开口152排出的燃料(未示出)可冲击一个或多个突出部分149，并且通过在一个或多个突出部分149与出口面14的下面的基部表面142之间一次或多次地来回反射而破碎为更小的液滴，并且被导向远离出口面结构143的特定位置或空间(即，喷嘴出口面152以外)。参见例如图6-7所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152。
15.根据实施例7至14中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个或多个喷嘴通孔15的至少一个出口开口152完全被所述出口面结构14的所述至少一个或多个重叠或突出部分149覆盖。参见例如图6-7所示的喷嘴10的喷嘴通孔15的出口开口152。
16.根据实施例7至15中任一项所述的喷嘴10，其中至少一个突出部分149包括上部突出表面141和下部突出表面159，并且上部突出表面141和下部突出表面159在两者间形成角度K。
17.根据实施例16所述的喷嘴10，其中所述上部突出表面141和下部突出表面159之间的角度K在约10°至小于约90°的范围内，或在两者间单位增量为一度的任意范围内，或为所述范围内单位增量为一度的任意角度。
18.根据实施例16或17所述的喷嘴10，其中所述上部突出表面141和下部突出表面159之间的角度K为约45°。
19.根据实施例16至18中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个出口面结构143包括所述上部突出表面141(以及所述下部突出表面159)与所述基部表面142之间的至少一个或多个中间部分159’。参见例如图6-8所示的喷嘴10。
20.根据实施例19所述的喷嘴10，其中所述至少一个中间部分159’具有单一弯曲轮廓。参见例如图8所示的喷嘴10。
21.根据实施例20所述的喷嘴10，其中所述至少一个中间部分159’包括两种或多种轮廓(如，不在相同弯曲表面内的两个中间表面部分159’，诸如例如彼此成角度关系定位的两个或更多个相邻的、相对平的表面部分159’)。参见例如图17a-e所示的样品中间部分159’。
22.根据实施例16至21中任一项所述的喷嘴10，其中所述上部突出表面141和下部突出表面159(的至少一部分或全部)基本上彼此平行。参见例如图8所示的喷嘴10。
23.根据实施例14至22中任一项所述的喷嘴10，其中每个所述喷嘴通孔15的所述出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分沿着所述出口面结构143的所述突出部分149延伸。
24.根据实施例16至23中任一项所述的喷嘴10，其中一组所述喷嘴通孔15中的每一个喷嘴通孔的所述出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分在所述上部突出表面141上。
25.根据实施例16至24中任一项所述的喷嘴10，其中一组所述喷嘴通孔15中的每一个喷嘴通孔的所述出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分在所述下部突出表面159上。
26.根据实施例19至25中任一项所述的喷嘴10，其中一组所述喷嘴通孔15中的每一个喷嘴通孔的所述出口开口152的出口开口周边152’的至少一部分在所述中间部分159’上。
27.根据实施例8至26中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个突出部分149包括至少两个突出部分149。
28.根据实施例8至27中任一项所述的喷嘴10，其中一组所述喷嘴通孔15中的每一个喷嘴通孔的至少一个出口开口152没有被所述至少一个突出部分149覆盖。
29.根据实施例2至28中任一项所述的喷嘴10，其中所述基部表面142为平的或换句话讲为平坦的。
30.根据实施例29所述的喷嘴10，其中所述出口面结构143的所述侧表面145(i)与所述基部表面142形成第一角度P，所述角度在约90°至小于约165°的范围内，或在两者间的单位增量为一度的任意范围内，或为所述范围内单位的增量为一度的任意角度，以及(ii)与所述出口面结构143的所述上部141’的上表面141形成第二角度Q，所述角度在大于约195°至小于约345°的范围内，或在两者间的单位增量为一度的任意范围内，或为所述范围内的单位增量为一度的任意角度。
31.根据实施例29或30所述的喷嘴10，其中所述侧表面145(i)与所述基部表面142形成约90°的第一角度P，以及(ii)与所述上表面141形成第二角度Q，所述角度在约225°至约270°的范围内，或为约270°。
32.根据实施例29至31中任一项所述的喷嘴10，其中所述侧表面145具有在所述基部表面142与所述上表面141之间延伸的相对平的圆柱形或截头圆锥体表面轮廓。
33.根据实施例29至32中任一项所述的喷嘴10，其中至少一个、多个或每个所述喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的周边152’的全部或一部分在所述出口面结构143的所述侧表面145上。
34.根据实施例29至33中任一项所述的喷嘴10，其中至少一个、多个或每个所述喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的周边152’的全部或一部分在所述出口面14的所述基部表面142上。
35.根据实施例29至33中任一项所述的喷嘴10，其中至少一个、多个或每个所述喷嘴通孔15的至少一个出口开口152的周边152’的全部或一部分在所述上表面141上。
36.根据实施例1至35中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴通孔15中的至少一个或多个(如，约2个至约24个)喷嘴通孔包括至少两个或更多个(如，约2个至约24个)出口开口152。两个或更多个出口开口152可用于形成沿着出口面结构143的侧表面145的出口开口152的行、列或行和列两者。参见例如图7-8所示的喷嘴10。
37.根据实施例1至36中任一项所述的喷嘴10，还包括所述出口面14的暴露表面142/145/141/159/159’上的防污(如，防焦)结构150(如，微观结构、纳米结构或两者)。参见例如图8所示的喷嘴10。还可参见图10-12所示的示例性防污(如，防焦)结构150。
38.根据实施例1至36中任一项所述的喷嘴10，其中所述至少一个出口面结构143还包括所述出口面结构143的暴露表面145/141/159/159’上的防污(如，防焦)结构150(如，微观结构、纳米结构或两者)。
39.根据实施例8至36中任一项所述的喷嘴10，其中所述出口面结构143的所述突出部分149的每一者或至少一者的暴露表面141/159/159’还包括其上的防污(如，防焦)结构150(如，微观结构、纳米结构或两者)。
40.根据实施例1所述的喷嘴10，其中所述至少一个出口面结构143为所述出口面14的暴露表面142/145/141/159/159’上的防污(如，防焦)结构150(如，微观结构、纳米结构或两者)。
41.一种燃料喷射器喷嘴10，包括：入口面11；出口面14，所述出口面与所述入口面11相背对；以及至少一个喷嘴通孔15，所述至少一个喷嘴通孔包括位于所述入口面11上的至少一个入口开口151，该入口开口通过由内表面154限定的腔体153连接至位于所述出口面14上的至少一个出口开口152，其中所述出口面14包括在其暴露表面上的防污(如，防焦)结构150(如，微观结构、纳米结构或两者)。
42.根据实施例37至41中任一项所述的喷嘴10，其中所述防污结构150包括具有在所述出口面14上方最高至约500微米(μm)的最大高度或至出口面14内最高至约500微米(μm)的最大深度的表面地形特征。
43.根据实施例37至42中任一项所述的喷嘴10，其中所述防污结构150包括具有在所述出口面14上方最少约2微米(μm)的最小高度或至出口面14内最少约2微米(μm)的最小深度的表面地形特征。
44.根据实施例37至43中任一项所述的喷嘴10，其中所述防污结构150包括具有锥形形状、圆柱形形状、截头圆锥体形状、穹顶形状、棱锥形状、半球形状、棱柱形状、面包形状或任意其他形状中的至少一种或任意组合。
45.根据实施例1至44中任一项所述的喷嘴10，其中至少一个所述喷嘴通孔15的腔体153的所述内表面154包括从内表面154延伸的多个腔体通道153’，该腔体通道(a)沿着腔体153的长度延伸，(b)邻近所述喷嘴通孔15的所述出口开口152延伸，或(c)即(a)与(b)两者。
46.根据实施例45所示的喷嘴10，其中所述多个腔体附件153’以大于所述腔体153的最大总体长度L约10％的长度从内表面154沿着所述腔体153延伸。
47.根据实施例1至46中任一项所述的喷嘴10，其中至少一个喷嘴通孔15的至少一个入口开口151和至少一个出口开口152具有类似形状或不同形状的入口开口151和出口开口152。
48.根据实施例1至47中任一项所述的喷嘴10，其中所述入口面11具有的入口开口151总面积大于所述出口面14的出口开口152总面积。
49.根据实施例1至48中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴10具有的入口开口151总面积与出口开口152总面积的总比率在大于1.0至约2500的范围内，或为两者间的单位增量为1的任意数字或范围(如，约1.0至约1000、约2至约2000、约10至约1000和约40至约500)，或为该范围内的单位增量为1的任意比率。
50.根据实施例1至49中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴10具有的入口开口151总面积与出口开口152总面积的总比率在大于1.2至约500的范围内，或为两者间的单位增量为1的任意范围(如，约1.2至约250、约2至约22、约2至约22和约4至约12)，或为该范围内的单位增量为1的任意比率。
51.根据实施例1至49中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴10具有的入口开口151总面积与出口开口152总面积的总比率大于30(或为介于30和2500之间的单位增量为1的任意数字或范围，如约40至500，或为该范围内的单位增量为1的任意比率)。
52.根据实施例1至49和51中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴10具有的入口开口151总横截面积与出口开口152总横截面积的总比率在约1.2至约250的范围内，或在两者间的单位增量为1的任意范围内，或为该范围内的单位增量为1的任意比率。
53.根据实施例1至52中任一项所述的喷嘴10，其中每个入口开口151具有的主要尺寸(如，直径)小于约500微米(或小于约400微米，或小于约300微米，或小于约200微米，或小于约160微米，或小于约100微米)(或为介于约10微米和500微米之间增量为1.0微米的任意主要尺寸/直径，如10、11、12等微米)。如本文所用，术语“主要尺寸”表示跨越给定入口开口151(或给定出口开口152)的最长距离。
54.根据实施例1至53中任一项所述的喷嘴10，其中每个出口开口152具有的主要尺寸(如，直径)小于约300微米(或小于约200微米，或小于约100微米，或小于约50微米，或小于约20微米)(或为介于约10微米和300微米之间增量为1.0微米的任意主要尺寸，如10、11、12等微米)。
55.根据实施例1至54中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴10包含金属材料、无机非金属材料(如，陶瓷，所述陶瓷选自二氧化硅、氧化锆、氧化铝、二氧化钛，或钇、锶、钡、铪、铌、钽、钨、铋、钼、锡、锌、原子数范围为57至71的镧系元素和铈的氧化物，以及它们的组合)，或它们的组合。
56.根据实施例1至55中任一项所述的喷嘴10，其中所述喷嘴10包括单体结构。如本文所用，术语“单体”是指喷嘴10具有单个一体形成的结构，而不是多个组件或部件相互结合形成喷嘴。
燃料喷射器实施例
57.一种燃料喷射器101，所述燃料喷射器包括根据实施例1至56中任一项所述的喷嘴10。
燃料喷射器系统实施例
58.一种内燃机106(如，车辆发动机、功率发生器等)的燃料喷射系统100，所述内燃机106的燃料喷射系统100包括根据实施例1至57中任一项所述的喷嘴10。(如图13所示，燃料喷射器系统100包括特别是燃料喷射器101、燃料源/罐104、燃料泵103、燃料过滤器102、燃料喷射器电源105和发动机106。)
制造喷嘴的方法的实施例
59.一种制造根据实施例1至56中任一项所述的喷嘴10的方法，所述方法包括：提供包括喷嘴材料的喷嘴预成形件(nozzleperform)，以及用于形成至少一个喷嘴通孔的至少一个腔体；移除喷嘴材料以便将至少一个腔体形成为至少一个喷嘴通孔15，以及形成至少一个出口面结构143。
60.根据实施例59所述的方法，其中所述喷嘴材料移除步骤包括打开至少一个腔体的至少一个或两个末端，以便形成至少一个喷嘴通孔15的入口开口151和出口开口152中的至少一者或两者。
61.根据实施例59或60所述的方法，其中所述移除步骤包括通过将材料移除工具700(如，楔形切削工具的切割刃，电火花加工或EDM工具)定位在靠近或接触喷嘴预成形件(nozzle perform)的位置来移除期望的喷嘴材料。电极丝或Sinker EDM切削工具为优选的材料移除工具700。参见例如图14所示的移除方法步骤。
62.根据实施例59至61中任一项的方法，其中所述方法还包括：在喷嘴10的出口面14上形成防污结构150。
63.根据实施例62所述的方法，其中所述形成防污结构150的步骤包括：将防污结构制作成用于形成喷嘴预成形件的喷嘴成形微结构化图案；将喷嘴形成材料施加到包括一个或多个喷嘴通孔成形特征结构的喷嘴成形微结构化图案上；将喷嘴成形材料与喷嘴成形微结构化图案分离以提供喷嘴10；以及根据需要从喷嘴10移除喷嘴材料，以便形成一个或多个喷嘴通孔15和/或16。
64.根据实施例63所述的方法，其中所述制备步骤包括：在母模工具上形成防污结构；对母模工具进行金属化；对金属化的母模工具进行电铸以形成EDM电极；以及将EDM电极烙印于燃料喷射器喷嘴板中，以便形成喷嘴成形微结构化图案。
65.根据实施例64所述的方法，其中所述成形步骤包括双光子聚合步骤。
66.根据实施例63所述的方法，其中所述制备步骤包括：在对母模工具进行金属化之前，利用含有纳米颗粒的溶液对母模工具进行涂覆；对母模工具进行金属化；对金属化的母模工具进行电铸以形成EDM电极；以及将EDM电极烙印于喷射器板中，以便形成喷嘴成形微结构化图案。
67.根据实施例59至66所述的方法，其中所述移除步骤包括利用具有工具700的外前沿表面701(即，沿着外表面702的前沿外表面701)的材料移除工具700从喷嘴10移除材料，工具700的外前沿表面701提供以下出口面特征结构中的至少一者：(1)每个重叠的外表面部分149的重叠的外表面轮廓159/159’(如果存在)，(2)沿着外表面14的至少一个侧表面(即，垂直延伸的壁部分)145，(3)一个或多个喷射构件1519，(4)防焦结构150，和(5)一个或多个出口开口152。参见例如图14-15。
68.根据实施例59至67所述的方法，其中所述移除步骤包括利用具有外前沿表面701的材料移除工具700从喷嘴10移除材料，工具700的外前沿表面701包括具有圆形横截面构型的单一连续表面(如，弧形表面)(如，图14-15所示的工具701)。如图16a-e所示，工具700可具有任何期望的横截面构型，其形成各种出口表面14特征结构，所述特征结构包括但不限于如图17a-e所示的给定重叠外表面部分149的期望的重叠外表面轮廓159/159’、抗结焦微观结构150(如图10-12所示)、如图9所示的喷射构件1519，以及其他出口面14表面起伏(未示出)。在一些实施例中，工具700可沿其轴ra旋转，以进一步为出口面14提供表面特征结构(如，当工具700具有如图16e所示的星形横截面构型时并且当从喷嘴10移除材料时沿着其轴旋转，以便形成图15e所示的出口面14特征结构)。另外，工具700还包括可用于(沿着或不沿着其轴ra旋转)进一步提供喷嘴10上的出口面14特征结构的一种或多种工具表面特征结构704(如图18所示)。
制造燃料喷射器的方法的实施例
69.一种形成燃料喷射器101的方法，所述方法包括将根据实施例1至57中任一项所述的喷嘴10组装到所述燃料喷射器101中。
制造燃料喷射系统的方法的实施例
70.一种形成燃料喷射系统100(例如内燃机诸如车辆200的燃料喷射系统)的方法，所述方法包括将根据实施例1至56中任一项所述的喷嘴10组装到燃料喷射系统100中。
喷嘴预成形件实施例
71.一种适用于形成根据实施例1至6中任一项所述的喷嘴10的喷嘴预成形件，参见例如国际专利申请序列号US2012/023624中的其他喷嘴预成形件和如何利用所述喷嘴预成形件来形成图1A-图1M中的喷嘴，以及该专利申请中对这些内容的描述。
微结构化图案实施例
72.一种适用于形成根据实施例1至56中任一项所述的喷嘴10的微结构化图案。参见例如1/4国际专利申请序列号US2012/023624中的其他微结构化图案和如何利用所述微结构化图案来形成图1A-图1M中的喷嘴，以及该专利申请中对这些内容的描述。
在上述实施例的任一个实施例中，喷嘴10可包括具有基本上平坦构型的喷嘴板10，在通常情况下，入口面11的至少一部分基本上平行于出口面14的至少一部分。
可能有利的是，燃料喷射器喷嘴10的厚度为至少约100μm，优选地大于约200μm；并且小于约3mm，优选地小于约1mm，更优选地小于约500μm(或为介于约100μm和3mm之间以1μm为增量的任何厚度或厚度范围)。如多张图所示的，可能有利的是，喷嘴具有在喷嘴板的周边周围(如，待焊接到燃料喷射器的顶端的焊接区域)较薄并且在喷嘴板的内部区域中较厚的厚度。燃料喷射器中的喷嘴入口的燃料上游压力(尤其是具有较高的GDI或DI系统压力时)还会导致太薄的喷嘴板过早失效或意外偏转。然而，当喷嘴板厚度增大时，产生将喷嘴板焊接到喷射器主体上的高质量焊接(如激光焊接)变得越来越难。通过使内部区域较厚和周边较薄，本发明的喷嘴被操作性地调整(如，尺寸、构造或以其他方式进行设计)，以便求取上述需求的平衡。
另外，尽管图中未示出，但本文所述的喷嘴10中的任一喷嘴还可包括一个或多个对齐表面特征结构，所述对齐表面特征结构允许：(1)喷嘴10相对于燃料喷射器101对齐(即，在X-Y平面中)；以及(2)喷嘴10相对于燃料喷射器101的旋转对齐/取向(即，在X-Y平面内正确旋转定位)。所述一个或多个对齐表面特征结构有助于对喷嘴10和其中的喷嘴通孔15进行定位，以便将所述喷嘴和喷嘴通孔准确地并精确地导向如上所述的一个或多个目标位置lt处。喷嘴10上的所述一个或多个对齐表面特征结构可沿入口面11、出口面14、周边19存在，或沿入口面11、出口面14和周边19的任何组合存在。另外，喷嘴10上的一种或多种对齐表面特征结构可包括但不限于视觉标记、喷嘴10内的压痕、沿喷嘴10的凸起表面部分，或此类对齐表面特征结构的任何组合。
应当理解，尽管上述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统和所述方法被描述为“包括”一个或多个部件、特征结构或步骤，但上述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统和所述方法可“包括”所述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统和所述方法的任何上述部件和/或特征结构和/或步骤，由所述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统和所述方法的任何上述部件和/或特征结构和/或步骤组成，或基本上由所述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统和所述方法的任何上述部件和/或特征结构和/或步骤组成。因此，在利用可广泛解释的术语诸如“包括”来描述本发明或其一部分的情况下，应当易于理解(除非另有指明)，对本发明或其一部分的这种描述还应当被解释为使用术语“基本上由...组成”或“由...组成”或如下文所述的它们的变型来描述本发明或其一部分。
如本文所用，术语“包括”(“comprises，”“comprising，”“includes，”“including，”)、“具有”(“has，”“having，”)、“包含”(“contains”，“containing，”)、“特性在于”或它们的任何其他变型形式旨在涵盖非排他性的包括，受到对所列举部件的另外明确指示的任何限制。例如，喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法“包括”要素列表(如，部件或特征结构或步骤)不一定局限于仅包括这些要素(或部件或特征结构或步骤)，而是可能包括未明确地列出或所述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法所固有的其他要素(或部件或特征结构或步骤)。
如本文所用，过渡性短语“由...组成”(“consists of”和“consistingof”)将任何未指定的要素、步骤或部件排除在外。例如，权利要求中使用的“由...组成”(“consists of”或“consisting of”)将权利要求限于权利要求中明确列举的部件、材料或步骤，除了通常与所述部件、材料或步骤相关联的杂质(即，给定部件内的杂质)之外。当短语“由...组成”(“consists of”或“consisting of”)出现在权利要求正文的条款中，而不是紧接在前序之后时，短语“由...组成”(“consists of”或“consisting of)仅限定该条款中列出的要素(或部件或步骤)；其他要素(或部件)未被从作为整体的权利要求排除。
如本文所用，过渡性短语“基本上由...组成”(“consists essentiallyof”和“consisting essentially of”)用于限定喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法，除了照字面公开的那些之外，还包括材料、步骤、特征结构、部件或元件，前提条件是这些另外的材料、步骤、特征结构、部件或元件不会实质上影响受权利要求书保护的本发明的一个或多个基本特性和新颖特性。术语“基本上由...组成”的涵义居于“包括”与“由...组成”之间。
另外，应当理解，本文所述的喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法可包括任何本文所述的部件和特征结构、基本上由任何本文所述的部件和特征结构组成或由任何本文所述的部件和特征结构组成，本文所述的部件和特征结构如附图中示出并且具有或不具有附图中未示出的任何一种或多种额外的特征结构。换句话讲，在一些实施例中，本发明的喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法可具有附图中未明确示出的任何额外的特征结构。在一些实施例中，本发明的喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法不具有除附图中所示出的那些(即，一些或全部)之外的任何额外的特征结构，并且附图中未示出的此类额外的特征结构被明确地从所述喷嘴、喷嘴板、燃料喷射器、燃料喷射器系统、和/或方法排除。
本发明还通过以下实例进行说明，这些实例不应被解释为以任何方式对本发明的范围进行限制。相反，应当清楚地理解，可采用多种其他实施例、修改形式及其等同形式。在阅读了本说明书之后，在不脱离本发明的实质和/或所附权利要求书的范围的情况下，这些实施例、修改形式及其等同形式对于本领域的技术人员将是显而易见的。
实例1
制造与图1-9所示的示例性喷嘴10类似的喷嘴，以用于与燃料喷射器系统100类似的燃料喷射器系统中。
从本发明的一般原理和前述详细描述的上述公开内容可知，本领域的技术人员将易于理解本发明所涉及的各种修改形式、重新布置和替代形式，以及本发明可提供的多种优点和有益效果。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求书及其等同形式来限定。此外，应当理解，可用于其他应用(即，不用作燃料喷射器喷嘴)的本发明所公开且受权利要求书保护的喷嘴也在本发明的范围内。因此，本发明的范围可扩大到包括对用于此类其他应用的受权利要求书保护和本发明所公开的结构的使用。

Claims (15)

1.一种燃料喷射器喷嘴，包括：
入口面；
出口面，所述出口面与所述入口面相背对；以及
至少一个喷嘴通孔，所述至少一个喷嘴通孔包括位于所述入口面上的至少一个入口开口，所述至少一个入口开口通过由内表面限定的腔体连接至位于所述出口面上的至少一个出口开口，
其中所述出口面包括从所述出口面的一部分延伸的至少一个出口面结构。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述至少一个出口面结构包括侧表面，并且所述出口面包括与所述侧表面相邻定位的基部表面，使得所述侧表面与所述基部表面形成第一角度。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中所述第一角度在约45°至约135°的范围内。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的喷嘴，其中所述第一角度为约90°。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的喷嘴，其中所述至少一个出口面结构包括从所述侧表面延伸出的至少一个突出部分，以便被定位于所述基部表面的一部分上方一段距离ds处。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的喷嘴，其中所述至少一个喷嘴通孔的至少一个出口开口被操作性地调整，以对从所述至少一个出口开口排出的燃料进行引导，以便冲击所述至少一个出口面结构。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的喷嘴，其中所述至少一个喷嘴通孔的至少一个出口开口的出口开口周边的至少一部分在所述至少一个出口面结构的一部分上。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的喷嘴，其中所述至少一个喷嘴通孔的至少一个出口开口的出口开口周边的至少一部分在所述出口面结构的所述侧表面上。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的喷嘴，其中所述基部表面为平坦的。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的喷嘴，其中所述出口面结构的所述侧表面(i)与所述基部表面形成第一角度，所述第一角度在约90°至小于约165°的范围内，以及(ii)与所述出口面结构的上表面形成第二角度，所述第二角度在大于约195°至小于约345°的范围内。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的喷嘴，其中至少一个所述喷嘴通孔的至少一个出口开口的一部分在所述出口面的所述基部表面上。
12.根据权利要求10或11中所述的喷嘴，其中至少一个喷嘴通孔的至少一个出口开口的一部分在所述上表面上。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的喷嘴，还包括所述出口面的暴露表面上的防污结构。
14.一种内燃机的燃料喷射系统，所述内燃机的燃料喷射系统包括根据权利要求1至13中任一项所述的所述喷嘴。
15.一种制造根据权利要求1至13中任一项所述的所述喷嘴的方法，所述方法包括：
提供包括喷嘴材料的喷嘴预成形件以及用于形成至少一个喷嘴通孔的至少一个腔体；
移除喷嘴材料，以便将所述至少一个腔体形成为至少一个喷嘴通孔，并且以便形成至少一个出口面结构。
CN201380050989.0A 2012-08-01 2013-08-01 具有非铸造的三维喷嘴出口面的燃料喷射器 Pending CN104813019A (zh)

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