CN105378264A - 用于燃烧发动机的燃料喷射阀 - Google Patents

Abstract

一种用于燃烧发动机的燃料喷射阀（1）包括阀体（7）。该阀体（7）包括阀腔（13）和喷嘴体（24）。该喷嘴体（24）限制该阀腔（13）的自由体积，并包括至少一个喷嘴孔（25）。该喷嘴体（24）包括面向该燃烧发动机的燃烧室且围绕该至少一个喷嘴孔（25）的表面（33）。该表面（33）包括第一区域（37），其完全地横向包围该喷嘴孔（25）并且是疏流体的。该表面（33）包括邻近该第一区域（37）的第二区域（39），其横向地围绕该第一区域（37）并且具有比第一区域（37）更弱的疏流体性或者是亲流体的。

Description

用于燃烧发动机的燃料喷射阀

技术领域

本发明涉及一种用于燃烧发动机的燃料喷射阀，其中，喷射阀包括阀体，所述阀体包括阀腔和喷嘴体。

背景技术

燃料喷射阀被广泛使用地用在尤其是内燃发动机中，在发动机中，它们可以被布置成用于计量进入内燃发动机的进气歧管或直接进入内燃发动机的气缸的燃烧室中的流体。

由于有关布置在例如车辆中的内燃发动机的可容许污染物排放的日益严格的法律规定，有必要采取各种方式以便减少这些污染物排放。

一个可能的出发点是，减少由燃烧发动机直接产生的污染物排放。例如，碳烟的产生极度取决于燃烧发动机的各个气缸中的燃料混合物制备。

由于燃料喷射阀的焦化，在发动机寿命期间会出现燃烧过程的性能劣化。

发明内容

本发明的一个目的是创造一种用于燃烧发动机的燃料喷射阀，其有助于可靠和准确的功能。

通过具有独立权利要求的特征的燃料喷射阀来实现这个目的。燃料喷射阀的有利的实施例在从属权利要求中给出。

根据第一方面，公开一种用于燃料喷射阀的喷嘴体。根据第二方面，公开一种用于燃烧发动机的燃料喷射阀。

该喷射阀包括阀体，其中，该阀体包括阀腔和喷嘴体。优选地，喷嘴体是例如通过压配合连接和/或钎焊或焊接连接而固定在阀基体上的独立件。可替代地，喷嘴体可以是与阀基体一体的。

阀腔可从阀体的燃料入口端延伸到燃料出口端。喷嘴体可以限制阀腔的自由体积。换言之，喷嘴体可以被安置在阀基体的燃料出口端。换种方式，喷嘴体被布置在阀腔的下游端。

喷嘴体包括至少一个喷嘴孔。此外，喷嘴体包括面向燃烧发动机的燃烧室且围绕该至少一个喷嘴孔的外表面。换句话说，喷嘴孔从喷嘴体的内表面到喷嘴体的外表面延伸通过喷嘴体。该内表面具体地面向阀腔。外表面具体地在远离阀腔的这侧。换种方式，内表面可以面向燃料入口端部，外表面可以背向喷射阀的燃料入口端。

外表面包括设计成形成与流体的大于90°的接触角的第一区域。该第一区域可以部分地或完全地横向包围喷嘴孔。它可以与喷嘴孔横向间隔开，或者它可以直接邻接喷嘴孔。

例如，流体是汽油或柴油。由于接触角大于90°，外表面的第一区域是所谓的疏流体表面，其也可以称为疏流体接触面。

接触角是该表面与流体液滴之间的角度。接触角也可以被称为润湿角和/或边缘角。接触角例如由杨氏方程定义。接触角越小，液滴待粘在表面上的效果越强。接触角越大，疏流体表面卸下液滴的作用越强。例如，非常小的接触角几乎为0°，因而液滴可以很容易地附着到表面。与此相反，大的接触角，例如约为140°，因此液滴将反而从表面脱离。接触角取决于接触表面上的物质之间的相互作用的能量考虑。相互作用越低，接触角越大，因为在能量方面更有利于流体形成球形液滴而不是附着在接触表面上。总的来说，如果接触角小于90°，那么，该表面被认为是亲流体的。如果接触角大于90°，那么，该表面被认为是疏流体的。

喷嘴体和燃料喷射阀使用的想法是污染物排放能够通过基本上避免在喷嘴体的外表面上形成沉积物而减少。喷嘴体的这个区域也可称为喷射器顶端。在喷射器顶端上的上述沉积物使喷射阀的功能恶化-尤其是燃料离开喷嘴孔的喷雾特性-在发动机应用期间。

喷射器顶端沉积主要由所谓的“顶端润湿”行为产生的，其中，在喷射过程之后，燃料液滴保留在喷射器顶端。在喷射器顶端的燃料液滴是造成发射性能退化的原因。在喷射过程中，流体-例如燃料像汽油或柴油-可润湿喷射器顶端的表面。这可能引起沉积物，其主要是由碳组成，并且由喷射器顶端上的湿残留物的焦化引起的。通常，这些沉积物具有多孔结构，通过吸收气态和/或液态流体，该结构有利于在后续的喷射过程中的焦化过程。这导致了高的碳（也是HC-）和颗粒排放。

具有的优点是，根据本发明的喷嘴体的外表面基本上避免了液滴在表面上的聚集或粘附。因此，能够避免在喷射和燃烧过程期间流体（相应的是流体液滴）的焦化和沉积物的形成，并且降低污染物排放或颗粒排放。

外表面的第一区域可以呈现足够大的流体接触角，以最小化流体与喷嘴体的外表面之间的粘附力。例如，流体接触角大于90°，尤其是对于汽油或柴油为流体的。可在喷射过程期间附着到喷嘴体的外表面的液滴可容易地脱离外表面。因此，能够完全或至少特别大程度地避免液滴的任何堆积、它们的焦化和/或沉积物。通过这种方式，可获得在整个使用寿命中特别小的喷射器流量变化。另外，可获得在喷射期间的燃料喷雾的最小化变化以及最小化的颗粒排放或污染物排放。

优点在于，根据本发明，在运转期间，发动机的振动和/或气缸中的燃烧气体或空气的运动作为外部刺激，可能足以使燃料液滴脱离喷嘴体的外表面。在发动机被关闭的时间期间，液滴能够只要发动机再次发动就可能脱离。

在各个实施例中，外表面的第一区域包括小突起和/或大凹部。例如，每个突起的最大横向尺寸比横向相邻的突起之间的距离小。这个距离特别是这些突起的几何重心之间的距离。

小突起和/或大凹部能够通过激光散射而形成。例如，小突起能够是小的隆起物和/或销，它们尤其是通过大凹部来彼此分离。因此，在第一区域中，外表面能够形成与流体的接触角，其大于90°，从而使液滴容易地脱离外表面。

在各个实施例中，第一区域中的突起能够具有在纳米范围内的横向尺寸。在本文中，“纳米范围”是特别理解为从1纳米至100纳米的范围，其中包括边界值。

在各个实施例中，第一区域中的凹部能够具有在微米范围内的横向尺寸。在各个实施例中，第一区域中的横向相邻的突起之间的距离可以在微米范围内。在本文中，“微米范围”是特别理解为从100纳米至100微米的范围，优选为100纳米至10微米。

在各个实施例中，第一区域中的这些突起的最大横向尺寸例如最大直径为在30纳米至100纳米之间，边界值包括在内。在各个实施例中，大凹部的最大直径，或第一区域中的横向相邻的突起之间的最大距离为在300纳米至600纳米之间。

在各个实施例中，外表面还包括第二区域，其被设计成与流体形成小于90°的接触角。特别地，该流体是与第一区域形成大于90°的接触角的相同流体。

第二区域可以是与第一区域相邻，优选地，其可以邻接第一区域。例如，第一区域被第二区域横向包围。

第二区域具有比第一区域更弱的疏流体性。由于前面提到的能量考虑，流体液滴自然地朝着仅轻微疏流体或比它们开始移离的表面至少更不那么疏流体的区域移动。由于外表面的第二区域邻近外表面的第一区域，因此，粘在第一区域的液滴试图移动到相邻的第二区域。通过从第一区域移动到第二区域，液滴能够拽着来自在前的喷射过程的最终得到的焦化沉积物一起移动。这有助于避免这些焦化沉积物的任何堆积，尤其是在第一区域中。此外，移动的液滴能够更容易地脱离外表面。

在各个实施例中，外表面的第二区域包括小的凹槽和/或大的突起。例如，每个突起的最大横向尺寸比横向相邻的突起之间的距离大。

对比上面描述的第一区域，第二区域包括大的突起，它们能够例如是隆起物和/或销。小的凹部可以分隔这些大的突起。这有助于在第二区域中获得与流体特别是汽油或柴油的小于90°的接触角，并且因此支持流体的液滴的粘附到外表面的第二区域。

因为如上所述，液滴自然倾向于朝着较弱疏流体性的区域移动，液滴可能自发地从外表面的第一区域移动到第二区域。第一区域和第二区域也可以被称为双峰粗糙度。如上所述，最初的液滴运动可能需要给出的外部刺激，例如，通过发动机起动时的振动和/或还在燃烧室内产生空气运动的时候。同样，在发动机关闭的时候期间，液滴也可以自发地移向较弱疏流体性的区域，并且一旦发动机再次发动就可以脱离。

在各个实施例中，第二区域中的凹部具有在纳米范围内的横向尺寸。在各个实施例中，第二区域中的横向相邻的突起之间的距离可以是在纳米范围内。在各个实施例中，第二区域中的突起具有在微米范围内的横向尺寸。

在各个实施例中，第二区域中的这些突起的最大横向尺寸，例如最大直径为在300纳米至600纳米之间，边界值被包括在内。在各个实施例中，第二区域中的这些凹部的最大直径，或横向相邻的突起之间的最大距离为在30纳米至100纳米之间，边界值被包括在内。具有这样的尺寸的大的突起和/或小的凹部保证表面的第二区域与流体形成小于90°的接触角。

在各个实施例中，外表面的第一区域被布置成比外表面的第二区域更靠近该至少一个喷嘴孔。因此，粘在表面上的试图自发地移动到表面的第二区域的液滴移离该至少一个喷嘴孔。因为邻近或接近喷嘴孔的液滴或沉积物可干扰喷射阀的喷射喷雾，理想的是液滴或沉积物不接近喷嘴孔。因此，根据本发明，在整个使用寿命中，在喷嘴体内可获得喷雾角度的最小化变化和最小化的喷射流量变化。例如，邻近喷嘴孔的液滴或沉积物能够被看做障碍，其可能影响喷雾角度。另外，流体喷雾的贯穿可能会受到负面影响。

在各个实施例中，喷射喷嘴的外表面至少部分地覆盖有至少一个涂层，特别是疏流体涂层，与流体形成大于90°的润湿角。这样的涂层例如可以是聚四氟乙烯，能够另外被设置到外表面，例如到外表面的第一区域，从而支持与流体形成大于90°的润湿角。通过这样的涂层，例如，能够获得改良的表面，有利于形成所期望的接触角。这样的涂层可具有非常小的厚度，在10纳米至100纳米的范围内。优选地，涂层跟随第一和/或第二区域的起伏形貌。特别地，第一和/或第二区域范围中的涂层具有根据上述至少一个实施例的突起和/或凹部。

附图说明

借助于简图和附图标记，下面解释本发明的示范性实施例。相同的附图标记表示具有相同功能的元件或部件。只要元件或部件在功能上彼此对应，在随后的每个图的描述中，将不再重复对它们的描述。

图中：

图1示出喷射阀的纵剖视图，

图2示出了喷射顶端的放大截面图，和

图3示出喷嘴体的表面的示意性剖视图。

具体实施方式

图1示出喷射阀1的示例性实施例，其具有喷嘴组件组3和致动器5。致动器5在功能上与喷嘴组件组3相互作用。

喷嘴组件组3包括阀体6。喷射阀1还包括喷射器体9。阀体6例如通过喷嘴盖形螺母11固定地连接到喷射器体9。也可以设想像压配合和/或焊接连接的其它连接方式用于喷射器体9固定地连接到阀体6。阀体6和喷射器体9形成喷射阀1的公共壳体，用于液压地连接喷射阀1的燃料出口端31到喷射阀1的燃料入口端32。

阀体6具有基体7，其包括具有中心纵向轴线15和壁17的阀腔13。在阀腔13内，布置阀针19，其包括在喷嘴组件组3内。阀针19在一端具有密封元件21。密封元件21可以具有圆形端部，其尤其面向流体出口端。阀针19在阀腔13的区域中以轴向可移动的方式被引导，并通过弹簧元件23被偏压朝向流体出口端31。

阀体6还包括喷嘴体24，其限定出阀腔13的自由体积。喷嘴体24包括一个或数个喷嘴孔25，它们被布置成邻近阀针19的密封元件21。喷嘴体24包括阀座26。在关闭位置时，阀针19的密封元件21由弹簧元件23的弹簧力密封地停靠在阀座26上。在关闭位置时，密封元件21以这种方式阻止流体流过喷嘴孔（多个）25。

喷射器体9具有凹部，在其中布置致动器元件27。凹部使阀腔13朝向燃料入口端32延伸。致动器元件27可以是电磁致动器的电枢。致动器5通过致动器元件27与阀针19的机械相互作用而致动阀针19，从而，阀针19能够沿中心纵向轴线15的方向进行移动。

弹簧元件23向阀针19施力，把密封元件21压靠着阀座26，从而阻止流体流过阀体6的一个或数个喷嘴孔25。所施加的力作用在关闭方向。通过致动致动器5，阀针19沿轴线方向移离其关闭位置朝向打开位置。通过这种方式，实现流体流过一个或数个喷嘴孔25。

优选地，流体是汽油或柴油。流体还能够是另一种物质，例如有机化合物，如尿素。

图2示出图1的部分29的放大视图，其更详细地展现喷射阀1的燃料出口端31的结构设计。特别地，燃料出口端31限定出喷射阀1的包括喷嘴体24且面向燃烧室的那部分。

阀体6包括喷嘴体24，其中，喷嘴体24限制了阀腔13的自由体积。喷嘴体24被固定到阀体6的基体7。在本实施例中，喷嘴体24仅包括一个喷嘴孔25。可替代地，喷嘴体24可包括数个喷嘴孔25。

根据图2（和图1），基体7和喷嘴体24是两个部件。可替代地，阀体6可形成为一个部件，包括代表喷嘴体24的第一部分和代表基体7的第二部分。喷嘴体24于是与基体7一体设计。

在阀针19实现流体流动的情况中，流体能够穿过一个喷嘴孔25进入到燃烧发动机的燃烧室。这样的喷射过程可导致流体润湿喷嘴体24的外表面33。外表面33背向流体入口端32且背向腔13。它被定位在喷嘴体24的与阀座26相反的一侧。

在传统的喷射阀中，流体的一个或数个液滴可润湿表面33，并且可粘在上面。在数个喷射过程期间，数个液滴可组合并堆积。如上面所述，归因于燃烧过程期间的高温，这些液滴或堆积的液滴能焦化，并且因此生成焦化的沉积物，并且可以附着到表面33。这些焦化沉积物是造成排放性能恶化的原因，如上所述。

为了防止液滴或流体粘在表面33上，在根据本实施例的喷射阀1的情况下，外表面33被改变，并且包含改变的粗糙度。

图3示出外表面33的示例性部分35（参见图2），外表面33上有液滴40。图中示出的这些元件及它们彼此之间的尺寸关系不应该被视为真实比例。相反，各个元件可用放大的尺寸表示，以为了更好的表示和/或为了更好的理解。

图3示出在含有中心纵向轴线15的平面中的喷嘴体24的外表面33的示意性剖视图。外表面33包括第一区域37和第二区域39。第一区域37被设计成与要被喷射阀1喷射的流体的液滴40形成大于90°的接触角θ，该流体特别是汽油或柴油。第二区域39被设计成与所述流体的液滴40形成小于90°的接触角θ。因此，外表面33包括双峰粗糙度。

归因于大于90°的流体接触角度θ，液滴40与第一区域37之间的粘附力特别小。这样的接触角由包含数个小突起41和数个大凹部43的第一区域37可获得。这些小突起41可以例如是隆起物、销和/或小塔。在所示实施例中，这些小突起包括的尺寸特别是横向尺寸在纳米范围内，并且是具有小宽度的塔。例如，这些小突起41的最大直径例如外径在30纳米与100纳米之间。

大凹部43也可称为大间隔。特别地，这些小突起41横向间隔开相对大的距离。大凹部43或相邻的小突起41的横向距离可以例如具有在微米范围内的尺寸。例如，大凹部43的最大直径例如外径或直接相邻的突起41的最大横向距离在300纳米与600纳米之间。这样的大凹部43和小突起41适于在第一区域37与液滴40之间形成大于90°接触角θ。这种接触角θ最小化液滴40与表面33之间的粘附力。因此，液滴40能够容易地脱离喷嘴体24。因此，在数个喷射过程期间，可避免或至少大大减少液滴40的任何堆积。另外，在外表面33上可形成更少或没有焦化沉积物。

为了使液滴40脱离外表面33的第一区域37，外部刺激可能是必要的。这样的外部刺激可以是发动机的振动或者燃烧室内的空气或燃烧气体的运动。

第二区域39包括大突起45和小凹部47，为了呈现与液滴40的小于90°的接触角θ。第二个区域39包括比第一区域37更弱疏流体的表面。大突起45可以例如是隆起物、销和/或大塔。在所示实施例中，大突起45包括在微米范围的尺寸，并且是具有大宽度的塔。大突起45可以例如包括在微米范围内的尺寸，其中，大突起43的最大直径例如外径在300纳米与600纳米之间。小凹部47也可以被称为小间隔。特别地，大突起41横向间隔开相对小的距离。例如，小凹部47的最大直径例如外径或直接相邻突起45的最大横向距离在30纳米与100纳米之间。这样的小凹部47和大突起45适于在第二区域39与液滴40之间形成小于90°的接触角θ。这种的接触角θ在液滴40与表面33之间形成的粘附力大于粘附在第一区域37的液滴40的粘附力。

第二区域39邻近于第一区域37。特别地，第一区域37完全围绕喷嘴孔25周向地延伸，并且第二区域39完全围绕第一区域37周向地延伸。第二区域39可以直接邻接第一区域37。在第一、第二区域37，39之间也可以有过渡区域（未在图中示出）。在该过渡区域中，这些突起可以具有在第一区域37中的小突起41与第二区域39中的大突起45的相应的横向尺寸之间的横向尺寸。附加或替代地，相邻突起的横向距离可具有在第一和第二区域37、39的各个距离之间的值。

因为液滴自然地移向弱疏流体性的区域，液滴40可从第一区域37移动到第二区域39，从而例如降低其势能。如果液滴40不脱离第一区域37，液滴40可移动到第二区域39，并且能够拽着来自在前的喷射过程的焦化沉积物一起移动。因此，避免焦化沉积物的任何堆积。换言之，提供了自清洁表面33。液滴40能够例如在只要发动机一被接通就分离。可替代地，液滴40还可以由于发动机振动或燃烧室内空气运动而分离。

根据区域35的布置，第一区域37被布置成比第二区域39更靠近喷嘴孔25。如上所述，由于液滴40自发地移向较弱疏流体性的区域，不脱离表面33的液滴40将不会干扰流体的喷射。这有助于在整个使用寿命中获得最小化的喷射器流量变化和最小化的喷射角度变化。

按照图3，区域35中的外表面33被示为一个平面。但是，区域35-特别是第一区域37-还可以包括喷嘴体24的突起49的一部分，通过这个部分，喷嘴孔25延伸到外表面33。

在本实施例的一个变形（图中未示出）中，外表面33可以仅包括第一区域37，而没有亲流体的第二区域90。例如，第一区域37与整个外表面33一致。在未示出的另一替代方案中，第二区域39可以仅被布置在喷嘴体24的外表面33的最左边或最右边位置处，而剩余的外表面33包括第一区域37。

如上所述，液滴自然移向较弱疏流体性的区域。因此，第二区域39与流体形成的接触角θ需要大于与第一区域37的流体的接触角θ。因此，第二区域39并不必需地需要形成小于90°的接触角θ。例如，第一区域37可以与流体特别是汽油形成120°的接触角θ。为了实现液滴40从第一区域37移动到第二区域39，第二区域39可以被设计成与所述流体形成例如100°的接触角θ。

为了实现液滴40脱离表面33，第一区域37应当与流体形成尽可能大的接触角θ。因此，液滴40与第一区域37之间的粘附力是非常小的。

图2和3中所描述的外表面33包括在微米和纳米级范围内的双峰可调粗糙度。这样的粗糙度可以通过激光散射或等离子体离子化来有利地实现。

在示出的实施例中，喷嘴体24仅包括一个喷嘴孔25。可替代地，喷嘴体24可包括数个喷嘴孔25，如上所述。应当指出的是，表面33的第一区域37应当围绕喷嘴孔25。第一区域37应比第二区域39更靠近喷嘴孔25。

Claims (10)

1.一种用于燃烧发动机的燃料喷射阀（1），该喷射阀（1）包括阀体（7），该阀体（7）包括阀腔（13）和喷嘴体（24）；其中

-该喷嘴体（24）限制该阀腔（13）的自由体积，并包括至少一个喷嘴孔（25）；

-该喷嘴体（24）包括面向该燃烧发动机的燃烧室且围绕该至少一个喷嘴孔（25）的表面（33）；

其特征在于

-该表面（33）包括第一区域（37），其完全地横向包围该喷嘴孔（25）并且是疏流体的，以及

-该表面（33）包括邻近该第一区域（37）的第二区域（39），其横向地围绕该第一区域（37）并且具有比第一区域（37）更弱的疏流体性或者是亲流体的。

2.根据权利要求1的燃料喷射阀（1），其中，该表面（33）的第一区域（37）包括小突起（41）和大凹部（43）。

3.根据权利要求2的燃料喷射阀（1），其中，小突起（41）包括在纳米范围内的尺寸。

4.根据权利要求2或3的燃料喷射阀（1），其中，大凹部（43）包括在微米范围内的尺寸。

5.根据权利要求2至4中任一项的燃料喷射阀（1），其中，小突起（41）的最大直径在30纳米与100纳米之间，并且，大凹部（43）的最大直径在300纳米与600纳米之间。

6.根据在前任一项权利要求的燃料喷射阀（1），其中，表面（33）的第二区域（39）包括小凹部（47）和大突起（45）。

7.根据前一权利要求的燃料喷射阀（1），其中，小凹部（47）包括在纳米范围内的尺寸。

8.根据权利要求6或7的燃料喷射阀（1），其中，大突起（45）包括在微米范围内的尺寸。

9.根据权利要求6至8任一项的燃料喷射阀（1），其中，大突起（45）的最大直径在300纳米与600纳米之间，小凹部（47）的最大直径在30纳米与100纳米之间。

10.根据在前任一项权利要求的燃料喷射阀（1），其中，喷射喷嘴的表面（33）至少部分地覆盖有至少一个涂层，特别是疏流体涂层。