CN105074171A - 用于喷射器控制阀的防空蚀节流器 - Google Patents

Abstract

一种针型燃料喷射器，具有控制阀室中的控制阀经受压力下的针控制室，在打开阶段中，其控制阀被抬离其支座以将控制阀室、连接性流道和针控制室暴露于低压排流部，并且在关闭阶段中，其被推向顶着支座，以将控制阀室、连接性流道和针控制室与排流部隔开。通过当控制阀打开时节流经过控制阀座的燃料流从而维持控制阀室和上游连接性流道中的充分的回压，以降低高燃料喷射压力下的空蚀的潜在性。

Description

用于喷射器控制阀的防空蚀节流器

技术领域

本发明涉及柴油发动机燃料喷射器，其中电磁阀控制腔室中的压力作用于针喷射阀上。

背景技术

在这些类型的喷射器中，控制阀充当控制室中的常闭阀，以从低压区分离针控制室中的燃料和高压下相关流道。螺线管衔铁或轴杆上的弹簧或类似组件使有形状的销或类似组件推顶着相应形状的控制室支座。喷射活动始于螺线管通电，其将控制阀抬离支座，从而使针控制室中的高压燃料与通向低压区或油箱的流道联通，并且以已知的方式抬起喷射器指针离开喷射器体的底部的支座。抬起的针使位于体尖端的喷射孔暴露于高压燃料，并开始喷射活动。

如果控制阀中出现变化，例如阀冲程改变或支座泄漏，则向发动机进行的燃料递送将发生变化。燃料递送的变化导致发动机功率和排气的变化。这种不期望的影响可使发动机由过量燃料而变得过载，不符合排放法规。在喷射器的使用寿命期间，所有喷射器控制阀支座都表现出一定程度的磨损。当控制阀顶着控制阀支座关闭时，控制阀支座暴露于高速流体和高接触应力下。

为了在与共轨式燃料系统关联的非常高的喷射压力下进行操作，必须通过足够高的弹簧负载将喷射器控制阀的销推入其支座中，以确保其密封。这样的弹簧负载使控制阀加速进入支座中。当阀于支座上关闭时，所引起的接触应力可能非常高。更高的喷射器支座应力产生加速的磨损，导致支座泄漏增加，这最终需要更换整个喷射器。

高喷射器压力还将提高对阀座和在控制支座的喷射器上游的其他流道中的空蚀损坏的风险。当控制阀打开时，上游流体压力快速降低，导致气泡产生。控制阀关闭后紧接着重新增压时，这些气泡溃灭。溃灭的气泡将燃料流聚集于喷射器的金属表面上，其带有足以在该金属表面内爆而导致损坏的能量。

本发明克服了高燃料喷射压力下的空蚀问题。

发明内容

改进包括提供控制阀座下游的限制部，从而足以防止当所述控制阀打开时所述控制阀座上游发生的空蚀。

这样的工具阻止在所述控制阀打开时燃料流以关闭的方向通过所述控制阀座流向所述引流道，从而维持所述控制阀支座上游的更高的压力。这防止当所述控制阀打开时形成蒸汽泡，从而使得当所述控制阀关闭时没有气泡可基于重增压溃灭并引起损坏。

可调整环状流领部等以达到当所述控制阀打开时足够的节流，从而避免上游蒸汽泡形成，但是节流程度不多到使喷射端的时间间隔过于减缓。

在所述控制阀座的所述控制阀销下游的延伸部或鼻部上设置领部是一种为了在所述控制阀的使用寿命期间实现可预测的并且恒定的节流效果的技术。这将流体引导并节制通过所述领部与所述周围的流道壁之间的环状的流道。这样的技术是被动式的，意思是除了所述控制阀的正常的往复运动之外不存在移动的部件。

虽然提供所述控制阀下游的压力调节体积以减缓所述控制阀关闭速率也可帮助降低所述控制阀座上游的空蚀，并且提供节流器以在所述控制阀打开时维持所述控制阀座上游的回压也可帮助减缓所述阀的关闭速率，但是通过组合使用这两项技术能够得到最优性能。

然而在所有的燃料压力操作条件下调节所述控制阀座下游的压力以减缓所述阀的关闭速率都是有益的，在低燃料系统压力下空蚀不是问题，因此可针对在高燃料系统压力下的操作来对通过所述控制阀座的流进行节流。

通过使所述节流器的设计主要针对于对减缓阀关闭具有二次影响的空蚀控制，并且可选地包括主要针对于对空蚀控制具有二次影响的减缓阀关闭，在所述控制阀的鼻部上添加节流特征促进了优化。

附图说明

图1是体现本发明一个方面的燃料喷射器的示意图；

图2是图1的局部细节视图；

图3是用于实施本发明的可选环境的示意图；

图4所示为类似于图1的另一种环境，其中压力调节阀从控制阀的轴偏离；

图5所示为图4的实施例的变型；

图6所示为其中仅由具有孔的偏置的板阀提供压力调节的结构；

图7所示为另一种实施例，其中由控制阀销的延伸的鼻部上的轮廓提供压力调节和/或节流，而没有板阀；

图8所示为图4的实施例的变型，其中压力调节阀是球阀；

图9A和9B所示为根据现有技术基础设计中的四种燃料系统的原理图和根据本发明方面的三个实施例；

图10所示为根据图9A和9B的原理图的燃料系统中的多个位置处的燃料压力表格；

图11所示为对于2000巴的共轨压力的节流面积与横跨控制阀座之间的压降关系曲线图。

具体实施方式

图1和2示出了具有针阀102的喷射器100的一个实施例，在喷射活动期间的关闭条件下，针阀102带有尖端104啮合喷射器体中的支座106。在该关闭条件下，针控制室108被供应有来自高压供给泵(未示出)的高压燃料110，并且类似地，将相同的高压燃料110供应至针上的中间位置处的环状表面128。由于面积差，控制室108处的喷射针上的流体压力显著高于针的上末端处的流体压力。由于该净向下的流体力被室108中的弹簧112抵消，所以维持该针顶着支座106。

流道114a、b使高压针控制室108与控制阀室116连接。控制阀118具有柄状销，所述柄状销具有一般的锥形密封区域，当该锥形密封区域坐落于124处时，将存在于108、114和116中的高压从低压油箱隔开，例如经泵入口或回油管122来隔开。优选地，可在支座124和回油管122之间设置低压室120。

可在高压管线110中设置限流器或孔“Z”，通向针控制室108，并且从针控制室108通向流道114a、b之间的“A”，至控制阀室116。

电磁致动的衔铁126选择性地将控制阀118抬离支座124，从而使室108经流道114、116和120暴露于低压油箱122。室108中的降低的压力使得针102的下表面128处持续存在的高压能够克服弹簧112，从而将鼻部104从支座106抬起，并在针的下部周围喷射高压燃料。

将在具有用于减缓控制阀的关闭速率的压力调节阀的多个组合的环境中描述本发明，但是应理解，可通过控制阀座下游的多种流限制部来获得抑制或消除空蚀的有益效果。例如，只要它们在控制阀打开期间充分升高控制阀座上游的回压，单独或组合的孔、压力调节阀或节流领部就可落在本发明的范围内。

根据图1和2，在控制室116的支座124的下游设置了流阻力或限制工具130，以控制支座124紧下游的压力调节体积132中的时间依赖的压力。该限制部产生了足以减缓控制阀118对着支座124的啮合的回压，同时保持该回压足够低而不至于过度抗拒使控制阀118重新坐落于支座124上的推动。难以实现这个目的，因为需要适应共轨中的高压燃料的范围(并且因此需要适应室116与室132之间的压差)以及喷射频率的范围(即，每单位时间的喷射活动)。压力调节的体积132优选具有与支座124处的控制室116的出口的横截面积相似的横截面积，并且将压力调节的体积132紧接着设置于低压室120的上游(考虑到从室116朝向返回管线或排流管线122的流动方向)。

在目标操作环境中，针控制室108、流道114a、b和控制室116中的燃料压力可处于2000-3000巴的高范围内和处于低至200-300巴的低范围内，稳定状态的压力通常至少为1200巴。通过使用本发明，在高压范围的操作期间，经过支座124至120处的基本环境压力的燃料流被抵挡，使得室116和上游流道114a、b中的压力良好地维持超过100巴。设计该限制，使得在低压范围的操作期间经过支座124的燃料将引起在不有害地影响活塞118重新坐落的情况下，使上游流道中的压力良好地维持超过50巴。

如果在排流部122中设置了低压检查或旁通阀122'以防止排流压力低于约5psi，则可大大降低压力调节体积132和上游流道114α、b中的压力脉冲的幅度。可将一个这样的阀122'布置于与来自所有喷射器的低压室120流体联通的共用排流部的下游末端。

因此，可理解，使压力调节的体积132以流体联通的方式处于阀座124与低压油箱122之间。将压力调节阀130布置于低压室120中，其调节阀响应由抬起控制阀118所致的流体压力升高而打开，以允许流体从控制室116经调节体积132和低压室120至低压油箱122，并且响应由关闭活塞阀118所致的流体压力降低而关闭，以阻止流从控制室116经调节室132至低压油箱。调节阀130在活塞阀118打开后打开，并且该调节阀在活塞阀118关闭后关闭，从而提供了当活塞阀关闭于其支座124上时消除作用于活塞阀118上的回压。

应广泛理解本文所用的“压力调节阀”是设计成在关联的压力调节室或体积中维持流体压力的设备。

在图2示出的实施例中，压力调节阀130是板阀，其具有上圆盘状部分130a，带有螺旋弹簧130b坐落于板130a上并且在相对端130c处顶着室120的壁中的凹陷，从而促使部分130a顶着低压室120的上游面处的肩或相似支座136。调节体积132中的流体可经板130a上的孔134逸失，从而释放当调节阀130已经重新坐落于136处时可存在于调节体积132中的任何残余压力。在图2中，孔134被显示为板阀130a的一部分，但是可设置其他限制性的、例如经压力调节室132或低压室120的壁的流道。

图3示出了在更一般性实施例中的一个这样的例子，其中控制室116和关联的控制阀118与支座124相互作用，并且调节体积132与低压室120流体联通，进而与低压油箱122流体联通，但是相对于图2的差异在于，可仅由调节体积132与低压室120之间的孔138提供调节体积132中的回压。此外，该孔138还避免了在控制阀118已经关闭后调节体积132中的残余压力。

应理解，图2相对于图3的布置优点在于，当控制阀118关闭时，可通过选择螺旋弹簧130b的速率、板130a的边界的形状以及紧邻支座136周围的轮廓中的一种或多种来优化调节体积32中依赖的时间压力分布。该优化可适应流道114中的高压燃料的更宽范围。

图1至3还示出了防空蚀节流工具140，其设置于控制阀销118的坐落末端处的尖端或鼻部。该特征140优选在支座124下延伸，进入调节体积132，并且可包括凹陷142(例如，有锯齿的顶或盲孔，具有或不具有锥形或截头锥形的沉孔)。节流工具140基本消除了任何空蚀，并且在图2的实施例中允许在不影响控制阀座124处的空蚀的情况下优化调节阀板130a的位置。优选将板阀130和控制阀节流器140组合使用，以降低控制阀坐落的速度，并且降低或消除空蚀损坏。

鼻部140的外部具有处于其上端的平滑或有阶梯的接头锥角144a，以顶着支座124密封，以及处于阀座124以下的下游圆柱形领部144b。这使流面积减小，并且可认为，节流领部144b具有处于圆柱形孔壁内的被刻意设计的间隙，所述圆柱形孔壁处于压力调节体积132上或限定压力调节体积132。节流直径使节流器上游的压力升高，该升高帮助避免例如在流道114a、b中的上游空蚀损坏。节流领部144b可在比压力调节阀130更低地影响控制阀118减缓的情况下提高上游压力，并且如图3所示，可在没有调节阀130的情况下布置节流领部144b。

图4示出了另一个实施例，其中压力调节体积132'包括通向低压回油管线122上游的限制部的下游低压流道146。类似于图2的实施例，该限制部是具有孔134'的板阀130'，用弹簧使其偏置以关闭低压室120'的上游面。但是，该限制部可为简单的孔或没有孔的偏置板。

图5示出了图4的变型，结合了浮动活塞控制阀座，该浮动活塞控制阀座既提供了支座与控制阀的对齐改进，还提供了潜在的可制造性改进。调节阀130'和流道146的低压室120'下游与图4反映的图示和描述相似。可选地，可为了制造的便利使弹簧坐落于摩擦配合杯150或类似组件中。控制阀室116具有浮动控制阀152，其上内部边缘处具有关联的支座154。浮动支座152安置于环156上。由浮动支座152和环156形成的孔从支座154延伸穿过至板166的上表面160中的端口164。控制室116中的弹簧162压在支座152的顶部上，由此向支座152和环156连续施加向下的偏置力，以使环156的底部坐落于表面160上。包括延伸的节流鼻部的控制阀销在图3和4中有描述，并且涉及如图3和4反映的相同方式的控制支座154和压力调节室158。虽然支座152被起到维持支座顶着板166的作用的弹簧162偏置，但是实际上通过控制室116作用于支座上面的流体压力来进行密封。支座环156与支座块168之间的径向间隙提供了径向自由。通过支座环156与浮动支座152之间的球形接触实现了角度自由。

图6示出了结构170，其中控制阀172和控制室174一般是常规的。控制阀销172的尖端呈锥形以对着支座178密封，但是其没有实质地延伸至压力调节体积180中。由具有优选孔和低压室的阀组合件182以及排流部来执行压力调节功能，如图2所示，没有明显的节流工具。

图7还示出了另一个实施例184，其中仅由控制阀186来实施压力调节功能。控制室188、密封表面190和支座192如图6中所示中的174、176和178所示。但是，销186具有延伸至圆柱形体积194中的鼻部196，并且圆柱形领部198与体积194的圆柱形孔壁间距很近。鼻部198以具有子弹形状的尖端200延伸至从圆柱形体积194的末端放大的锥形流体积202中。该尖端的形状还具有对回压的影响。如在以前描述的实施例中一样，当控制阀186抬离支座192时，流体流被节流至低压室202、204中，所述低压室进而与基本处于环境压力下的油箱流体联通。

针对图2所描述的，将来自各喷射器的低压室，例如120、120'和204，连接至共用排流管线，并且排流管线与燃料箱之间的低阻力阀提供了低压室中的3psi至10psi级别的基线压力。一般而言，排流部包括从喷射器通向处于环境压力的燃料储库的管线，并且所述排流管线包括用于以高于储库中的压力至少约3psi的压力来维持处于喷射器排流口处的燃料通向排流管线的工具。

图8示出了另一个实施例206，其包括图4和7的特征，但是具有不同的压力调节阀。销208穿过控制室210，以顶着支座212密封，并且具有以由壁216限定的圆柱形体积中的圆柱形节流领部214的延伸。领部214的紧下方的壁216的圆柱形部分是压力调节体积的可操作体积。圆柱形壁218以截头锥形的方式在朝向下游的方向上敞开，其中区域220与体积224流体联通，压力调节阀226直接操作所述体积224。

压力调节阀226包括上游阀座228，带有中央流道和关联球230。球计数器支座232具有通向低压体积236的流道234，其中螺旋弹簧238的一端压在支座234上并且另一端压在肩部240上。低压体积236以流体联通的方式通向具有低压油箱的流道242。支座228和238能够在压力调节阀226的进入孔区域滑动。如在之前描述的实施例中，提供了孔244，其处于支座228上游，使体积224与低压体积236之间流体联通。

图9和10表示燃料系统，可由此描述根据本发明的一些实施例来管理压力的集成方法，并比较了以前公知的基础设计。图9可与图2和3相关，其中共轨压力P2在高压通道110中；降低的压力P3处在孔Z后，此外，降低的压力P4处在孔A后，并且是控制室116处的压力。已知，孔A提供了对与控制阀相关的压力管理的流限制。

在基础设计中，压力通过控制阀座124从P4降至P7。在基础设计中，在控制阀座124与油箱(燃料箱)之间没有明显的限制部，因此，刚刚通过控制阀座124的压力即为P7，与油箱压力P8相同或稍高与P8。阀座124经历了与该压降相应的流速度，并且没有回压来延缓控制活塞的重新坐落。

但是，根据本发明，流限制部使P5或P6处的压力调节体积中的压力远大于刚刚通过控制阀座124的P7。图10的表示出，使用300巴的低轨压力(P2)，基础设计中的P4至P7的压降为约16巴，但是P4处的压力为仅约16巴。在根据本公开的三个实施例(结构1至3)的每一个中，P4至P5或P6的压降介于约10巴至15巴的范围(因此，经过阀座上的流速度在一定程度上相似)，但是P4处的压力维持高得多，即，介于约26巴至65巴的范围，这帮助降低空蚀。使用2000巴的高轨压力，对于结构1至3，P4处的压力维持比基础设计中的压力大至少约40巴。

当将根据结构2和3的销的鼻部处的节流特征集成于基础设计中时，其提供了在压力区P5之前的升高的操作压力，这使喷射器中的压力提高至高于流体蒸汽压，从而防止孔A出口后的阀座和球形区域的空蚀。结果，可通过改变节流直径来制造差异的抬起面积/力，从而降低阀的坐落速度。在关闭延迟中可测量到稍微增大，这是阀减慢的证据。

该节流特征的主要优点是区域P2至P5中的高于蒸汽压的压力的净升高，以及位于区域P5中的支座处的空蚀的去除。常规的喷射器不具有作为控制阀的部分的第二限制部。图11(压差对节流面积)示出，节流面积上的小变化去除了该限制部，并且没有再实现维持高压P5相对于压力P6的益处。

对于结构1和3，低压室中的提高区域P6(压力调节体积)中的压力的调节板被设计成降低控制阀的关闭速度。控制阀的减速降低了撞击速度，因此降低了接触区中的撞击力或应力。将区域P6维持于当阀打开时的压力下，并且喷射器将燃料递送至汽缸。当控制阀受指令关闭时，调节其维持当控制阀打开时的压力，当到达阀关闭时的点时，压力降低。在控制阀关闭时，区域6中的压力达到排流压力(0巴至0.5巴)。然后，当阀打开时，再次重复循环。当阀移向关闭时，控制阀以下并且区域P6中的调节板以上的优选压力为约40巴。

Claims (15)

1.一种具有针的燃料喷射器，当所述针在上抬起部和下抬起部处受到高燃料供给压力时所述针关闭喷射孔，并且当所述针在上抬起部处受到压力降低时所述针打开喷射孔，所述上抬起部受制于控制阀室中的控制阀的压力坐落于针控制室中，由此，在打开阶段中从控制阀座抬离控制阀，以将控制阀室和针控制室暴露于低压排流部，并且在关闭阶段中以关闭方向将控制阀推向顶着所述控制阀座，以将所述控制阀室和针控制室从排流部隔开，改进包括用于当所述控制阀打开时以关闭方向抵挡经控制阀座通向所述排流部的燃料流的工具。

2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中所述工具是所述控制阀销上的节流领部。

3.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其中

流道从所述控制阀座延伸，通向所述低压排流部；并且

所述销上的所述节流领部处于所述低压流道中。

4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中

通向所述排流部的所述流道包括所述节流领部下游的压力调节体积；并且

压力调节阀处于所述压力调节体积与排流部之间的所述流道中。

5.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中

所述流道包括所述控制阀座紧下游的圆柱形孔壁；并且

所述控制阀销在所述孔壁内延伸，并且所述领部限定所述领部与所述孔壁之间的环状节流区域。

6.一种具有针的燃料喷射器，当所述在上抬起部和下抬起部处受到高燃料供给压力时所述针关闭喷射孔，并且当所述在上抬起部处受到压力降低时所述针打开喷射孔，所述上抬起部受制于控制阀室中的控制阀的压力坐落于针控制室中，由此，在打开阶段中从控制阀座抬离控制阀，以将控制阀室和针控制室暴露于低压排流部，并且在关闭阶段中关闭方向将控制阀被推向顶着所述控制阀座，以将所述控制阀室和针控制室与所述排流部隔开，改进包括用于当所述控制阀打开时对流经所述控制阀座通向所述排流部的燃料流进行节流的控制阀座下游工具。

7.一种用于在车辆柴油机燃料喷射系统中操作燃料喷射器的方法，该方法包括使喷射器经受共轨式燃料供给压力，所述喷射器具有针，当所述针在上抬起部和下抬起部处受到所述供给压力时所述针关闭喷射孔，并且当所述针在上抬起部处受到压力降低时所述针打开喷射孔，所述上抬起部坐落于与通向控制阀室中的控制阀的流道流体联通的针控制室中，由此，在打开阶段中从控制阀座抬离控制阀销，以将所述控制阀室、所述流道和针控制室暴露于低压排流部，并且在关闭阶段中以关闭方向将控制阀推向顶着所述支座，以将所述控制阀室、所述流道和针控制室从所述排流部隔开，改进包括当所述控制阀打开时限制以关闭方向通过所述控制阀座的燃料流，从而将所述控制阀室、传代和针控制室中的燃料压力维持得足够高以防止其中的空蚀损坏。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在共轨式供给压力在相对较高与相对较低之间变化的期望操作条件范围的期间，贯穿所述喷射器打开阶段和关闭阶段，将所述控制阀室、流道和针控制室中的所述燃料压力维持在至少约25巴以上。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述相对较高的供给压力为约2000巴并且所述相对较低的供给压力小于约500巴。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述相对较高的供给压力进行操作期间，所述控制阀室、流道和针控制室中的所述燃料压力维持在约145巴以上。

11.根据权利要求10所述的方法，其中在所述相对较高的供给压力进行操作期间，所述控制阀室、流道和针控制室中的所述燃料压力维持在约170巴以上。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述相对较高的供给燃料供给压力为约2000巴。

13.根据权利要求7所述的方法，其中通过对控制阀座以下的燃料流进行节流来限制通过所述控制阀座的关闭方向的燃料流。

14.根据权利要求7所述的方法，其中通过对经控制阀座通向压力调节阀的燃料流进行支配来限制通过所述控制阀座的关闭方向的燃料流。

15.根据权利要求7所述的方法，通过对控制阀座以下的燃料流并且通过对经控制阀座通向压力调节阀的燃料流，来限制通过所述控制阀座的关闭方向的燃料流。