CN104912706B - 燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料喷射器。所公开的燃料喷射器（100）包括：具有阀座（130）和可移动的阀针（125）的燃料阀（110）、校准弹簧（155）以及具有螺线管（140）和可移动的衔铁（145）的电磁促动器（115）。所述校准弹簧（155）在所述阀针（125）上施加按压力，以便在关闭方向上朝向所述阀座（130）按压所述阀针（125）。当所述螺线管（140）被供电时，所述电磁促动器（115）可操作，以借助于与所述衔铁（145）的接合将提升力传输到所述阀针（125），以抵抗所述校准弹簧（155）的按压力而将所述阀针（125）从所述阀座（130）提升至全开位置。所述校准弹簧（155）和所述电磁促动器（115）被配置使得在所述全开位置中所述提升力等于所述按压力。

Description

燃料喷射器

技术领域

本公开涉及用于将燃料喷射到燃烧发动机内的燃料喷射器。

背景技术

燃料喷射器被配置为响应于电信号而允许可燃液体类的燃料流动。先进的发动机技术要求精确控制喷射器内的燃料阀的打开和关闭时间，以执行高精度的喷射。如果燃烧发动机是活塞类型的，在发动机的一个气缸内的一个活塞的一次行程期间可能要求多个喷射阶段。由于阀的构件一定具有物理质量，阀的实际行为可能会与理想的理论行为不同，该理想的理论行为可预设无限高的打开或者关闭速度、或者在用于打开阀的电信号的脉冲长度与通过阀的实际液体流之间预设线性关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种在喷射时间期间对燃料流进行改善的控制的喷射器。本发明通过具有独立权利要求的特征的喷射器来实现这个目的。从属权利要求指示了优选的实施例和发展。

根据本发明，一种燃料喷射器，包括具有可移动阀针和阀座的燃料阀。所述燃料喷射器进一步包括校准弹簧和促动器（actuator）组件，后者在下文中简要地表示为“促动器”。

所述阀针和阀座协作以控制通过喷射器的燃料流。特别地，所述阀针在关闭位置防止燃料流通过所述燃料喷射器的喷嘴，在所述关闭位置所述阀针特别地直接与所述阀座机械接触。便利地，所述阀针可相对于所述阀座轴向位移——沿着所述燃料喷射器的纵向轴线远离所述关闭位置——以便使燃料流能够通过所述喷嘴。

所述校准弹簧在所述阀针上施加按压力，以便在关闭方向上朝向所述阀座按压所述阀针。特别地，所述校准弹簧被预加载，以将所述阀针偏压至与阀座接触，以便在所述促动器未被供能时保持所述燃料阀关闭。

所述促动器是具有螺线管和可移动衔铁的电磁促动器。便利地，它可进一步包括磁极件，当所述螺线管被供能时，所述衔铁朝向所述磁极件被吸引。所述磁极件特别地相对于所述阀座在位置上固定，而所述衔铁特别地可相对于所述阀座以往复方式纵向位移。

当所述螺线管被供电时，所述促动器是可操作的——特别地借助于所述衔铁与所述阀针的机械接合——以便将提升力传输到所述阀针，以抵抗所述校准弹簧的按压力将所述阀针从所述阀座提升至全开位置。在本上下文中，所述全开位置特别地是当所述促动器被供能时所述阀针停止以在一次喷射事件期间的打开瞬态之后保持所述燃料阀打开的位置。

所述校准弹簧和促动器被配置使得在所述全开位置中所述提升力等于按压力。特别地，所述校准弹簧的弹簧刚度和预加载以及所述螺线管的感应系数彼此适合，使得在所述全开位置中所述提升力等于按压力。

有利地，所述按压力——即，所述校准弹簧的弹力——主要有助于在打开瞬态的结尾处减慢所述衔铁。所述衔铁的打开运动被所述校准弹簧的弹力而不是所述衔铁所碰撞的止挡件停止，所述衔铁的打开和关闭运动能够被控制得更好。特别地，所述打开瞬态的结尾处的弹跳和/或非线性行为可以是特别小的。所述阀的关闭时间可以很短，因为所述衔铁和所述止挡件之间的磁和/或液压粘连效应（sticking effect）特别小或者甚至完全没有。所述粘连效应可抵抗常规的喷射器中当流体涌入所述两个元件之间的扩大空间时所述衔铁远离所述止挡件的运动。根据本公开的喷射器，能够在任何时间避免将这个空间减少至接近零。因此，流体可以更轻易地在衔铁和另一个元件之间流动，该另一个元件例如为在许多常规的喷射器中用作所述止挡件的磁极件。

在一个实施例中，所述衔铁在相反于所述关闭方向的打开方向上从起始位置到结束位置可位移，以将所述阀针从所述关闭位置提升至所述全开位置。换句话说，当所述衔铁与所述阀针接合使得可操作为将所述提升力传输到所述阀针时，当所述衔铁处于所述起始位置时所述阀针处于所述关闭位置，当所述衔铁处于所述结束位置时所述阀针处于所述全开位置。

例如，所述衔铁例如借助于压配合连接和/或焊接连接固定到所述阀针，或者所述衔铁与所述阀针为一体件。替代地，所述衔铁可以相对于所述阀座以往复方式纵向移动。在这种情况下，所述衔铁和所述阀针便利地成形，使得位移性是有限的，且所述衔铁特别地可操作，以与所述阀针接合成形式配合的连接，以传输所述提升力。

在一个实施例中，所述衔铁还可以在所述打开方向上从所述结束位置进行位移。换句话说，所述衔铁在打开方向上与所述燃料喷射器的在位置上与所述阀座固定的任何元件隔开。换句话说，所述衔铁不与止挡件形式配合地连接，所述止挡件在所述衔铁位于结束位置时防止所述衔铁在所述打开方向上进一步运动。例如，所述衔铁可操作，以在所述打开瞬态的结尾处在纵向方向上围绕所述结束位置振荡。所述衔铁的振荡优选地可以是受到液压阻尼的；这样，所述衔铁和所述阀针在所述打开瞬态的结尾处快速停止。

在一个实施例中，所述衔铁在所述起始位置和所述结束位置之间的升程——即，特别是所述衔铁的纵向位移——大于90µm。这可以有利地对应于所述衔铁的升程，所述升程比一些常规的喷射器增加了大约10至25%。通过增加所述衔铁的升程，可减小所述校准弹簧的标称刚度，即特别是弹簧刚度，所述校准弹簧是在所述全开位置实现所述提升力和所述按压力的力平衡所必需的。所述升程的增加还可帮助减小升程设定公差的敏感度。换句话说，通过增加所述升程，所述衔铁在所述全开位置的绝对位置可以被允许较小地偏离预定值。

在一个实施例中，所述校准弹簧具有400N/mm或者更高的刚度，可比较类型的常规喷射器使用弹簧刚度大约为50N/mm的校准弹簧。通过将刚度增加大约八倍或更多因子，衔铁在衔铁行进路线上与磁极件或者另一个物体的碰撞能够被避免。

在另一个实施例中，燃料喷射器还包括止挡件，所述止挡件的位置使得在所述衔铁进行打开运动时，所述衔铁靠近所述止挡件。换句话说，所述衔铁在朝向所述止挡件的打开方向上位移，以将所述阀针从所述阀座提升至所述全开位置。在一种发展中，所述止挡件由所述磁极件代表。

所述止挡件和所述衔铁具有面对的表面，所述表面优选地是平行的。特别地，所述止挡件具有在所述关闭方向上面向所述衔铁的端部表面，所述衔铁具有在所述打开方向上面向所述止挡件的端部表面，所述端部表面优选是平行的。

当所述衔铁靠近所述止挡件时，当周围流体（例如燃料）在所述衔铁和所述止挡件之间位移时，所述平行的表面可用作液压阻尼器。所述表面的重叠区域量和所述衔铁与所述止挡件之间的最小距离可能被改变，从而适应阻尼参数。虽然，在常规的喷射器中，所述止挡件和所述衔铁面向彼此的表面通常必须倾斜以减小液压粘连效应，但借助于平行表面可实现特别好的阻尼特性。

所述面对的表面可垂直于所述关闭方向。特别地，所述表面是平的，且具有平行于所述纵向轴线的表面法线。由于所述衔铁的打开运动特别地（反）平行于所述关闭方向，所述面对表面可被特别高效地用于本实施例中的阻尼。

所述面对的表面之间的间隙可以液压连接到朝向所述阀流动通过所述喷射器的燃料的路径。这允许将流动通过所述喷射器的燃料用作液压阻尼媒介。相对于以气体工作的阻尼器，改善了阻尼，且所述燃料可帮助清除源自所述阻尼过程的热量。

当所述衔铁处于所述结束位置时，所述面对的表面彼此分开。优选地，所述面对的表面在所述衔铁打开和关闭期间的所有时间都彼此隔开。

通过避免所述衔铁和所述止挡件之间的碰撞，所述衔铁的打开和关闭响应性可被改善。

在一个实施例中，所述校准弹簧包括弹簧套管或者由弹簧套管构成。例如，所述弹簧套管的总体形状为圆柱壳体，所述圆柱壳体在径向方向上被多个通孔或者被多个狭缝贯穿，所述狭缝优选地具有垂直于所述圆柱轴线的主延伸方向，这样，可轻易地实现所述校准弹簧的高刚度。所述弹簧套管可提供高精度、低残余应力或者低弹簧刚度变化。在其它的实施例中，不同类型的弹簧可被用于具有上述一些或者全部优点的所述校准弹簧。

附图说明

现在将参照附图更详细地解释本发明，其中：

图1示出了燃料喷射器的纵向剖面；

图2示出了脉冲时间与通过常规的喷射器的燃料流之间的示意性关系；

图3示出了优选实施例的图1中的燃料喷射器的细节；

图4示出了图3中的燃料喷射器处随时间的力；

图5示出了不同的燃料喷射器上的阀升程和阀速度。

具体实施方式

图1在纵向剖视图中示出了根据本发明的示例性实施例的燃料喷射器100。图3示出了图1中的燃料喷射器100的细节。

燃料喷射器100包括外壳105。燃料阀110设置在所述外壳105的燃料出口端部。此外，所述燃料喷射器100包括电磁促动器115。

燃料阀110包括阀针125和阀座130。在图1所示的实施例中，阀针125具有空心轴，燃料可通过空心轴。在轴的下游端部，阀针125的球135固定到轴上。

阀针可相对于外壳105关于燃料喷射器100的纵向轴线L以往复方式位移，以控制燃料流通过燃料喷射器100。在阀针125的关闭位置，球135邻接阀座130。在另一个实施例中，阀针125包括实心轴，该实心轴在关闭位置直接倚靠在阀座130上，或者球135以与以上描述的类似方式固定到实心轴。燃料阀110被配置用于当阀针125在关闭方向C在阀座130上被向下按压到关闭位置时，禁止燃料流通过燃料喷射器100的喷嘴。为了允许燃料通过燃料阀110且被分配通过喷嘴，阀针125在与关闭方向C相反且远离阀座130的打开方向O上被提升。

校准弹簧155被提供，校准弹簧155在关闭方向C上在阀座125上施加按压力，以偏压阀针125与阀座130接触。校准弹簧155确保当电磁促动器115没有被操作，因此，螺线管140没有被供能时，防泄漏地关闭燃料阀110。

图1中的电促动器115包括螺线管140、磁极件160、衔铁145、以及可选择的弹簧120。螺线管140的电导线优选地连接到连接件150，连接件150可附接到外壳105或者集成在外壳105内。例如，外壳105包括金属阀体和优选地模制的塑料体，塑料体围绕阀体的一部分在圆周方向上延伸。连接件150可以是塑料体的一部分。当电流流过螺线管140时，生成电磁场，电磁场在打开方向上朝向磁极件160拉动衔铁145。

衔铁145可以往复方式相对于阀座130（即，相对于外壳105）沿着纵向轴线L位移。阀针125与衔铁145接合或者可接合，使得所述衔铁145的运动影响燃料阀110的打开。

可构思其中衔铁145在位置上相对于阀针125固定的实施例。例如，衔铁145可以与阀针125为一体件，或者它能够被压配合和/或焊接到阀针125上。但是，在本实施例中，衔铁145可相对于阀针125以往复方式沿着纵向轴线L位移。阀针125包括衔铁限位器137，衔铁限位器137可被操作用于限制衔铁145相对于阀针125在打开方向O上的可位移性。例如，衔铁限位器137由阀针125的颈圈表示（如图1所示）或者衔铁限位器137是固定到阀针125的轴的单独零件（如图3所示例）。衔铁145和衔铁限位器137在侧面重叠，使得衔铁145可被操作以与衔铁限位器137建立形式配合的接合。

弹簧120设置在外壳105和衔铁145之间，且将衔铁145在朝向衔铁限位器137的方向上偏压。这样，当促动器115被供能以发起打开瞬态时，衔铁145与阀针125接合。替代地，燃料喷射器100能够被配置以在打开瞬态的开始保持衔铁145与衔铁限位器137隔开，使得衔铁在打开瞬态的开始处与衔铁限位器137接合之前，相对于阀针125行进预定的距离——所谓的“空程”。

磁极件160位于衔铁145面对衔铁限位器137的轴向侧。当螺线管140被供能时，衔铁145被吸引朝向磁极件160。借助于衔铁145与阀针125的接合，促动器115可操作以将提升力传输到阀针125，以抵抗校准弹簧155的按压力而将阀针125从阀座130提升至全开位置。

在常规的燃料喷射器中，磁极件160用作止挡件，该止挡件确定衔铁145的最上方位置，也就是衔铁离阀110最远且阀110处的针升程最大的位置。换句话说，通过在打开瞬态的结尾处与磁极件160邻接，来止挡衔铁145的运动。

图2示出了脉冲时间与通过几个示例性的常规喷射器的燃料流Φ之间的示意性关系200。在水平方向，示出了用于为螺线管140供能的脉冲长度Ti。在竖直轴线上，示出了通过喷射器100的流。

在弹道区域205，在这样很短的脉冲长度之后，螺线管140未被供能，该很短的脉冲长度使得阀110没有到达它的全开位置。打开和关闭时间是可重复的，但喷射没有完全稳定，且喷射被限制在较小的燃料剂量。

随着脉冲变得更长，常规的喷射器进入非线性流区域210，在非线性流区域210阀110达到它的最大打开位置。促动器115的提升力远大于校准弹簧155的按压力。这可有助于衔铁145对止挡件160的碰撞，该碰撞导致流动力学不稳定。

采用更长的脉冲，在线性区域215，流能够被稳定且机械的瞬态结束并处于稳定状态。但是，由于在喷射事件（大略如图2中的虚线所示）期间通过弹道区域205和/或线性区域210的不可预知的行为，可重复性可能被降低。

理想的流曲线将会是单调的，只有弹道区域105和线性区域215。常规的燃料喷射器中的非线性区域210越大，脉冲长度和流之间的关系与线性关系的区别越大，能够被用于馈给发动机的脉冲长度的范围越小。例如由于用于控制燃料喷射器的约束，非线性区域210中的喷射剂量的不满意的重复性可能对发动机的燃料消耗具有不利的影响。

根据本发明，校准弹簧155和电磁促动器115被配置，使得提升力等于阀针125的全开状态下的按压力。

为了打开燃料阀110，通过将电操作电流馈给螺线管140，促动器组件115被供能。因此螺线管140产生的磁场将衔铁145吸引朝向磁极件160。衔铁因此在打开方向O上从远离磁极件160的起始位置运动到最接近磁极件160的结束位置。

在它从起始位置进行至结束位置期间，衔铁与阀针125的衔铁限位器137形式配合地接合。这样，促动器115将提升力传输到阀针125，使得阀针125抵抗校准弹簧155所施加的按压力的偏压而在打开方向O上从它的关闭位置运动到全开位置。阀针125离开关闭位置与衔铁145离开起始位置同时发生。阀针125到达全开位置与衔铁145到达结束位置同时发生。

在各自的结束位置和全开位置，衔铁145和阀针125分别停止。可构思衔铁145——特别地带有它的阀针125——越过全开位置，且在最终停止之前执行阻尼振荡。

当螺线管140未被供能时，校准弹簧155在关闭方向C上将阀针125朝向关闭位置推回。借助于与衔铁限位器137形式配合的接合，阀针125在关闭方向C上带动衔铁145，直至球135依靠在阀座130上。

在此时，由于衔铁相对于阀针125的可轴向位移，衔铁能够从与衔铁限位器137的形式配合的接合脱离，并进一步在关闭方向C上相对于阀针125和阀座130运动。这样，阀针125的弹跳的风险——这可导致燃料阀110重新打开——特别小。衔铁随后被弹簧120推回以与衔铁限位器137接触。

在阀110全开时，主要是校准弹簧155在关闭方向C上的按压力与螺线管140在打开方向O上的电磁力有助于使衔铁145在其其结束位置平衡。在本实施例中，除了在打开方向O上的电磁力外，弹簧120的弹力可被附加到提升力。

衔铁145可在打开方向O上从结束位置进一步位移。换句话说，衔铁145相对于外壳105和阀座130的轴向可移动性并不受限在结束位置处（除了提升力和按压力之间的力平衡之外），特别地不会被与外壳105或者燃料喷射器100的另一个部件的机械接触限制，该另一个部件在位置上相对于外壳固定，例如磁极件160。相反地，在结束位置，衔铁145被“暂停”，因为朝向或者远离阀座130的很小的位移将会导致相反的力增加，使得衔铁145回到它之前的位置。优选地，校准弹簧155被配置具有刚度，该刚度足够在螺线管140被促动且它的磁场将衔铁145向上且远离阀座130拉动以允许燃料流通过喷射器100时，阻止衔铁145碰撞到磁极件160上。

优选地，衔铁145浸于液体、特别地是流过喷射器100的燃料中。在图3所示的一个实施例中，在衔铁145上设置一个或多个孔305，以便于燃料朝向阀110流动。

衔铁145的第一表面310和磁极件160的第二表面135彼此面对，即，两个表面310、315位于轴向间隙的相对侧上，该轴向间隙优选地充满燃料。在常规的喷射器100中，第一和第二表面310、315之间的碰撞限定了衔铁145的结束位置。根据本发明的优选实施例，第一和第二表面310、315在所有的时间都保持分开，尤其是当螺线管140被供能且衔铁145已经朝向止挡件160移动至最远时。

优选地，表面110和115是平行的。特别地，当表面310和315之间的空间是液压连接到至喷射器100的燃料的路径时，对衔铁145的运动的阻尼效应能够被引发至表面310、315。由于表面310、315彼此靠近，它们之间的空间变小且流体从那个空间流走。当表面310、315离开彼此，流体需要进入增加的空间以允许所述运动。表面310、315的形状和尺寸、以及表面310、315之间的最小距离可以与阻尼要求相适合。优选地，表面310、315在垂直于衔铁145的行进方向O、C的方向上延伸。阻尼还可受到孔305的位置、尺寸、方向和计数的影响。

图4示出了图3中的燃料喷射器100的力F和针升程d随时间t的图表400。水平方向示出了时间t，竖直方向示出了力F和针升程d。数字的说明仅仅是示例性的。

图表400示出了螺线管140所施加的磁力405。磁力405代表促动器115传输到阀针125的提升力。此外，图表400中所示的弹力410由校准弹簧155施加且对应于上述的按压力。最后，所示的液压力415是燃料阀110的内部和外部的不同液压压力的结果。

总的外力420是弹力410和液压力415的总和。作为参考，针升程425示出了阀针125的球135已经从阀座130被提升了多远。

针升程425示出了在时间t0处开始为螺线管140供能之后的早期的稳定的增加。在上升至最大高度后，针升程425保持稳定，且当在时间t2处螺线管140不再被供能时快速下降。

由于校准弹簧255的负荷，总的外力420总是紧密等于磁力405，校准弹簧255的负荷载在打开阶段期间增加，且补偿液压力415的减小。

图5示出了阀升程的上部图表和阀速度的下部图表。在两种情况下，衔铁145的运动都被表示。图5中的水平方向示出了时间t，上部部分中的竖直方向示出了升程d，下部部分中的竖直方向示出了速度v。

上部部分中的第一根线505示出了根据参照图1和3讨论的实施例的喷射器100的升程，第二升程510示出了常规喷射器的对应升程，在常规喷射器中衔铁145的行进受到止挡件160的碰撞的限制。在图5的下部部分中，第一速度515对应于图5中的上部部分中的第一升程505，第二速度520对应于图5中的上部部分中的第二升程510。

螺线管140在时间t0左右被供能。虽然在供能后第一升程505首先上升大约与第二升程510相同的陡度，但是第一升程505花费稍长的时间来到达其极端位置，在该极端位置它提供比第二升程510更高的绝对升程。显著地，第一升程505没有像第二升程510那样在过渡至极端位置时显示出“摆动”——极端位置对应于上述的衔铁145的结束位置。但是这样的摆动可能指示燃料喷射器的不利的非线性特性。

当螺线管145在时间t1处未被供能时，第一升程505比第二升程510更迅速且更快地减小。在关闭期间，衔铁145的绝对第一速度520达到比常规的燃料喷射器100的第二速度520更高的绝对值。

Claims (9)

1.一种燃料喷射器（100），包括：

-燃料阀（110），其包括阀座（130）和可移动的阀针（125），所述阀座（130）和阀针（125）协作以控制通过所述喷射器（100）的燃料流；

-校准弹簧（155）；以及

-电磁促动器（115），其包括螺线管（140）和可移动的衔铁（145），

其中

-所述校准弹簧（155）在所述阀针（125）上施加按压力，以便在关闭方向上朝向所述阀座（130）按压所述阀针（125）；

-当所述螺线管（140）被供电时，所述电磁促动器（115）能够操作，以借助于与所述衔铁（145）的接合将提升力传输到所述阀针（125），以抵抗所述校准弹簧（155）的按压力而将所述阀针（125）从所述阀座（130）提升至全开位置，

其中所述校准弹簧（155）和所述电磁促动器（115）被配置使得在所述全开位置中所述提升力等于所述按压力。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器（100），其中所述衔铁（145）在相反于所述关闭方向的打开方向上能够从起始位置到结束位置进行位移，以将所述阀针（125）从关闭位置提升至所述全开位置，且所述衔铁（145）进一步在所述打开方向上能够从所述结束位置进行位移。

3.根据权利要求2所述的燃料喷射器（100），其中所述衔铁（145）在所述起始位置和所述结束位置之间的位移大于90µm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料喷射器（100），其中所述校准弹簧（155）具有400N/mm或者更高的刚度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料喷射器（100），还包括止挡件（160），所述止挡件（160）的位置使得在所述衔铁（145）进行打开运动时，所述衔铁（145）靠近所述止挡件（160），所述止挡件和所述衔铁（145）具有平行的面对的表面（310、315）。

6.根据权利要求5所述的燃料喷射器（100），其中所述表面（310、315）垂直于所述衔铁（145）的打开运动的方向（O）。

7.根据权利要求5所述的燃料喷射器（100），其中所述面对的表面（310、315）之间的间隙以液压方式连接到朝向所述阀（110）通过所述喷射器（100）的燃料的路径。

8.根据权利要求2或3所述的燃料喷射器（100），还包括止挡件（160），所述止挡件（160）的位置使得在所述衔铁（145）进行打开运动时，所述衔铁（145）靠近所述止挡件（160），所述止挡件和所述衔铁（145）具有平行的面对的表面（310、315），其中当所述衔铁处于所述结束位置时，所述面对的表面（310、315）彼此分开。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料喷射器（100），其中所述校准弹簧（155）包括弹簧套管。