CN1288338C - 带有一铁磁阀针的直接启动式喷射阀 - Google Patents

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Abstract

一种直接启动式喷射阀包括一空心阀壳(102)；一阀针(114)，一设置在空心内部之内；一阀针弹簧(116)和一管状磁致伸缩式启动装置(114)。后者设置在围绕阀针(114)一部分的一环形空间之内。一磁场促动磁致伸缩材料以改变其长度而造成一启动阀门的阀针(114)相应运动。阀针(114)由一铁磁材料制成并穿过管状磁致伸缩式启动装置(130)而不干扰经由磁伸缩件导引的磁通场。一被动液压联接装置(114，160)最好是用以补偿部件磨损、温度效应和设计公差之内的制造变异。

Description

带有一铁磁阀针的直接启动式喷射阀
技术领域
本发明一般地涉及内燃机的高压燃料喷射阀或喷射器，而且更为具体地涉及一种喷射阀，可由位置控制启动式磁致伸缩材料直接控制，并包括一被动液压联接物。
背景技术
由于多种原因，需要把某种气态燃料直接喷射到内燃机燃烧室里面。比如，直接喷射可允许充气分层，消除了与均匀充气引擎相关联的节流损失。此外，在迟至压缩冲程之内才作直接喷射的情况下，可以保持高压缩比，从而保持了通常柴油引擎的效率。其次，当被直接喷射器的燃烧包括天然气、丙烷或氢气时，NOx和颗粒物质(PM)的排放显著减少。直接喷射的气态燃料可以用炽热塞、用火花塞、用引燃柴油或其他任何能源予以点燃。气态燃料应当在高压下喷射以克服燃烧室压力。后者在压缩冲程的末尾处是高的。最好是，喷射压力高到足以促进被喷射燃料与燃烧室空气之间的良好混合。
在高压下的直接喷射提出了若干挑战。使用高压燃料直接喷射可导致在喷射阀或喷射器之内存在高燃料压力。结果，关闭时，喷射阀一般应当稳固地就位以避免燃料在各喷射活动之间漏入燃烧室。当阀门是针阀时，阀门在可动的阀针和阀座的两个密封表面处在彼此流体密封接触的时候就位。阀座一般是阀壳或阀体的一部分。
再者，与低压系统相比，需要较大的力量开启喷射阀，由于阀门应当稳固地就位当阀门端头暴露于生成在燃烧室之中的高压时以保持是密封的。同样涉及很大的关闭力量，由于高压系统的燃料喷射阀的阀针应当克服当阀针处在开启位置上时由存在的加压燃料生成的巨大力量。
此外，只有很小的时段用以喷射燃料。比如，在4500每分钟转数(RPM)下，在满负荷下，全部燃料最好是在不到2-3ms之内被喷射出去。
几乎内燃机中所有已知的直接燃料喷射系统都一直是液压启动的。这些系统依靠液压流体提供力量以开启一燃料喷射阀(或各阀，当引擎包括许多燃烧室时)。因此，在一般的引擎运转速度下，液压启动或喷射阀依靠液压流体压力方面的迅速变化来开启和关闭(各)喷射阀。喷射阀一般是通过增大液压流体压力被开启和通过减小液压流体压力被关闭的，以致施加于喷射阀的开启力量被减小就导致阀门关闭。不过，在气态燃料喷射阀的情况下，液压操作表现出几项缺点，包括：
需要另外的液压硬件，诸如一液压泵、一些阀门和一用于液压流体的贮槽；
需要密封件设立在变压液压流体与高压气态燃料之间；
喷射阀门装置体积增大，由于另外的硬件需求；以及
系统的延迟回应，由电气阀门硬件与控制来自喷射器的气流的阀针之间液压流体的时间滞后造成。
此外，当推动力由加压流体而不是由直接可控的源泉提供时，喷射阀运动的可控性程度很低。由此，难以控制升程，导致当采用双弹簧结构时升程控制能力有限。因此，希望避免采用液压装置来操作气态燃料喷射器，特别是对于高速引擎来说。喷射阀的“升程”在此定义为阀针从其关闭/就位位置到其开启位置的位移。
发明内容
喷射阀可把燃料喷进内燃机的燃烧室。喷射阀包括：(a)一阀壳，包括：一燃料入口；一内腔，流体在通于燃料入口；一喷嘴，包括至少一个喷嘴孔眼，提供一条从内腔到燃烧室的流体通路；(b)一阀针，由一铁磁材料制成并设置在阀壳之内，其中阀针可在阀针的一密封端在该处接触一阀座以流体密封内腔使之与喷嘴隔绝的一关闭位置与阀针的密封端在该处与阀座间隔开来从而内腔流体连通于喷嘴孔眼的一开启位置之间移动；(c)一钢针弹性装置，联接于阀针，阀针弹压装置施加一关闭力量于阀针用于弹压阀针在关闭位置上；以及(d)一启动装置，联接于阀件并设置在内腔之内，启动装置包括一磁致伸缩件，可启动以伸展长度并施加一强于关闭力量的开启力量于阀针，从而把阀针移动到开启位置。
在一种优先的喷射阀中，启动装置设置是一围绕至少一部分阀针的环形空间中的内腔之内。优先的阀针弹压装置是一弹簧，最为可取的是至少一件圆盘弹簧。
启动装置设置在围绕一部分阀针的一环形空间之中是一种优先的配置，因为它为轻巧的设计创造了条件。启动装置一般是细长的并具有由所需升程决定的长度，此长度本身又决定了磁致伸缩件的长度。当磁致伸缩件被启动时，一磁场施加于磁致伸缩件以使之伸展长度。较长的磁致伸缩件能够伸展较大的量，当用在喷射阀场合下时导致较大的升程。
具有类似配置(即一实心件穿过一管状磁致伸缩件)的通常设备采用非铁磁构件以避免与磁场相干扰。在磁致伸缩材料领域中，一般认为，采用铁磁材料用于阀针会造成磁通漏失，这本身又损及功能，由于所有的磁通都是用来通过管状磁致伸缩件和由通常的各极和各磁通管提供的各磁通路径的。与这种认识相一致，具有类似配置的通常设备一直采用非铁磁材料，诸如，比如奥氏体不锈钢、钛和陶瓷。
与铁磁材料相比，采用这些非铁磁材料存在许多缺点。比如与诸如工具钢这样的铁磁材料相比，钛和陶瓷一般较贵并比较难以机加工到高级公差。此外，诸如钛和奥氏体不锈钢这样的非铁磁材料一般不能淬硬以匹配铁磁材料的耐久性。以往解决某些这种缺点的办法包括镀敷非铁磁材料以提高其耐久性。另一些办法是采用多部分部件，包括比如一非铁磁构件，穿过一磁场生成所在的各分部，以及一铁磁材料，诸如工具钢，用于撞击于阀座的阀针端头。
虽然并未完全理解带有一铁磁阀针的本喷射阀的现象，但与普遍的看法相反，已经发现，在磁致伸缩材料领域中，一铁磁材料可以用于穿过一管状磁致伸缩件的阀针。一项假说是，由于在喷射时期间磁场的高频转换，阀针的涡流皮厚为钢针遮蔽了磁路并从而防止阀针从磁路泄出磁道。
用于阀针的铁磁材料最好是一种适当的工具钢。比如，一种诸如H型或M型的工具钢是用于阀针的优先材料。
喷射阀最好是还包括一液压联接装置，它包括一被动液压联接物，具有开启和关闭力量都由之传递的液压流体厚度。液压流体基本上起到一种固体的作用，启动装置被启动时厚度基本上不变，而其中液压联接物的厚度，一当启动装置启动时，响应于喷射阀各部件之间尺寸关系方面的复化，在启动器不予促动时可以调节以保持需要的阀门升程。
在一项优先实施例中，液压联接物的厚度响应于由热胀差别、设计公差之内的制成尺寸方面的变异以及/或者对喷射阀各部件的磨损造成的尺寸关系方面的变化，是自行调节的。液压联接装置最好是包括一流体密封液压缸体，带有一活塞和置放在液压缸体之内的液压流体。活塞可以是阀针的一个组成部分。
启动装置最好是包括一电线圈，围绕磁致伸缩件设置，以及一磁通管，围绕电线圈设置在各优先的配置中，启动装置可以设置喷射阀的内腔之内。在一特定的优先实施例中，启动装置是管状的并设置在围绕阀针一圆柱段的一环形空间之内。管状启动装置的一端可以通过支承磁致伸缩件的一磁极相对于阀壳保持在固定位置上。此磁极装接于阀壳以防止磁致伸缩件被支承端当启动装置被启动时移动。在一项实施例中，联接于阀壳的磁通管和/或极都是阀壳和/或磁致伸缩件的组成部分。在此配置中，阀壳最好是也起到磁通管的作用，免去需要一单独的部件。
在一项优先实施例中，喷射阀包括一入口和基本上配置在喷射阀两端处的各喷嘴孔眼。各流体通路穿过启动和液压联接装置与阀壳中间以使燃料从入口流向各喷嘴孔眼。通过这些流体通路的燃料流动有助于冷却启动和液压联接装置。这些流体通路可以由启动装置各部件表面上的各纵向沟槽和/或阀壳内壁上的各纵向沟槽构成。设置穿过启动、液压联接装置和阀壳的各部件的一些孔口也可以构成这些流体通路。启动装置是可以控制的，以控制所需升程在最大升程的百分之10与100之间。亦即，发至启动装置的控制脉冲可予以调制以随意提供完全或部分的升程。控制脉冲是一种发至产生磁场的电线圈的、经过调制的电流。
本喷射阀特别适于喷射气态燃料，因为调制阀针运动的能力可以有利地用以减缓阀针的关闭动作以减少关闭时的冲击。当喷射液态燃料时，关闭时的冲击由显著地密于气态燃料的液态燃料薄层的置换来予以阻尼。当燃料是气态燃料时，它可以在大于大约2000psi(大约13.8MPa)的压力被射进燃烧室。
适合于用在本喷射阀之中的磁致伸缩材料包括称作ETREMATerfenol-D的磁致伸缩合金，可自Etrema Products Inc.购得。ETREMATerfenol-D磁致伸缩合金是由元素铽、镝和铁组成的金属合金。
在一项优先实施例中，阀针，由磁致伸缩装置启动，是可以控制的，在不到大约250ms的时间内在关闭与开启位置之间移动。
为提高包括带给定开度的磁致伸缩件的启动器之阀门升程范围，可以施加压紧力量于磁致伸缩件。通过对磁致伸缩件予加载荷可以增大所施加磁场每相应单位的净位移。因此压缩弹簧件可以用于施加压紧力量以对磁致伸缩件予加载荷。在一项优先实施例中，压缩弹簧件包括至少一件圆盘弹簧(也称作Bellixille弹簧或Bellexille垫圈)。
喷射阀阀壳可以包括许多部分，它们彼此接合以形成一流体密封的整体。比如，阀壳可以包括带有可拆卸的阀盖的空心主壳，允许取放设置在主壳之内的阀门各部件。阀壳可以还包括一单独的阀门端头，以致磨坏后可以更换。此外，阀门端头可以设计得以致它是直接暴露于燃烧室内部的唯一阀体部分。在此情况下，阀门端头可以由一种将在直接暴露于燃料室内可能指望的各种条件时提供较大耐久性的材料制成。
虽然液压联接物用以补偿阀门各部件之间尺寸关系方面的变化，包括由热胀差别造成的变化在内，但是对液体联结物提出的要求可以通过为阀门各部件选定具有类似热胀系数的材料而得以降低。
一种用于内燃机的优先燃料喷射阀包括：(a)一阀壳，包括：一燃料入口；一内腔，流体连通于燃料入口；一喷嘴，包括一阀座和一喷嘴孔眼，后者提供从内腔到燃烧室的一条流体通路；(b)一阀针，由一铁磁材料制成，包括一具有一密封端的圆柱段和一具有一预载端的活塞段，阀针设置在阀壳之内，其中阀针可在密封端在该处接触阀座以流体密封内腔使之与喷嘴孔眼隔绝的一关闭位置与密封端在该处与阀座间隔开来从而内腔流体连通于喷嘴孔眼的一开启位置之间移动；(c)一阀针弹簧，联接于阀针的预载端，其中阀针弹簧被压缩以施加一关闭力量于阀针用于弹压阀针在关闭位置；(d)一启动装置，可以被促动以施加一强于关闭力量的开启力量于阀针，用于把阀针移动到开启位置，启动装置包括：一磁致伸缩件，围绕阀针的圆柱段位置；一电线圈，围绕磁致伸缩件设置；一磁通管，围绕电线圈设置；以及一支座，用于启动装置，起到一磁极的作用并为磁致伸缩件的一端提供一相对于阀壳的固定位置；以及(e)一液压联接装置，包括一密封的液压缸体，围绕阀针的活塞段设置；一液压流体，在液压缸体之内置放，其中施加于阀针的开启和关闭力量经由某一厚度的液压流体传递，从而液压流体起到一液压联接物的作用而厚度是可以响应于喷射阀各部件之间尺寸关系方面的变化而自动调节以当启动装置被启动时保持一所需的阀门升程。
附图说明
这些和其他一些优点由如下所述的一种直接启动式喷射器提供。
图1是一种直接启动式燃料喷射阀的一项优先实施例的剖面视图；
图2是图1燃料喷射阀上部的放大剖面视图；以及
图3是图1燃料喷射阀下部的放大剖面视图；
图4是一图线，对比配备铁磁阀针的喷射阀的性能与配备非铁磁阀件的同一阀门的性能。
具体实施方式
图1-3是一种用于内燃机的直接启动式燃料喷射阀100的一项优先实施例。喷射阀100包括细长的阀壳102，与壳盖104和阀门端头106配合以形成流体密封的阀体。可以采用密封件以确保装好的阀件是气液密的。阀盖104包括入口108，燃料穿过它进入阀体，而阀门端头106包括至少一个喷嘴孔眼110，燃料穿过它流出阀体。阀门端头106还包括阀座112。
在此优先实施例中，在图3放大视图中比较清楚地表明，阀座112倾斜以使循着密封区域(阀针114接触阀座112处)的流体流量最大。阀针114的端部表面与阀座112之间的角度差别选择得以致流动区域不会随着气体朝着向各喷嘴孔眼110供送的阀门端头106中心喉口向内运动而减小。
阀针
阀针114设置在阀壳102内部并接触阀座112以通过防止燃料流过阀座112而达到喷嘴孔眼110来关闭喷射阀100。在图1的实施例中，阀针114包括阀杆114a、通过在阀体之内向内移动而进入开启位置以抬离阀座112。阀杆114a是一圆柱形构件，并由于阀门升程一般很小(比如，大约65μm)，阀杆114a的直径选定得可确保通过阀门孔口的足够流量，因为流动面积(A)正比于阀杆直径(亦即，A＝Px直径x升程)。因此，微小的升程可以由较大的直径予以补偿。在图1图示的优先实施例中，阀针114还包括一单独的活塞件，可以与阀针114配合以形成同样的效果。虽然阀针114图示为一单件整体，包括阀杆114a和活塞114b，但可以代之以一多件阀件总成，比如，以使阀针易于制作。不过，按照此优先实施例，阀针114的所有部分都最好是由非铁磁材料制成，诸如工具钢，比如H型或M型工具钢。选定的铁磁材料要针对阀针端头和活塞114b的耐久性和磨损抗力而具有所需的透入硬度性质。此铁磁材料还最好是一种易于机加工的材料，比带有对比硬度和耐久特性的适当非铁磁材料具有较低的材料和制造成本。
弹簧装置
一弹簧装置弹压阀针114在关闭位置上。在一优先配置中，弹簧装置包括至少一个阀针弹簧116，用于提供关闭力量给阀针114。参照图1的实施例，弹簧装置还包括阀针弹簧导向器118，用于从阀门弹簧116把关闭力量传递给阀针114。阀针弹簧116由阀针弹簧调节器120压持，后者与阀针弹簧外套122配合以形成到阀壳102的载荷路径。在一优先实施例中，各相应的带螺纹表面把阀针弹簧调节器120接合于阀针弹簧外套122，并把阀针弹簧外壳122接合于阀壳102。在阀针弹簧调节器120已经被转动以压紧阀门弹簧116而提供所需予载力量给阀针弹簧116时，锁定螺帽124可被上紧以防止阀针弹簧调节器120松动。由于压紧或预先加载于弹簧116而形成的弹簧能量可提供关闭力量，用于保持阀针114在关闭位置上。
启动装置
启动装置可予以启动以提供相反于并大于由弹簧装置提供的关闭力量的开启力量。在图示于图1之中的实施例中，启动装置包括一磁致伸缩件，当此件暴露于磁场时在开启力量的方向上伸展或收缩。
在由图1图示的实施例中，启动装置是磁致伸缩式启动器，包括磁致伸缩件130；电线圈132，围绕磁致伸缩件130的外径设置；以及磁通管134，围绕电线圈132设置。磁通管134可以由任何透磁材料，诸如铁素体、不锈钢或普通碳钢制成。一长度方向的槽缝可以设置得对置于在装好的启动装置中磁致伸缩件可设置的地方以破坏涡流。在另一实施例(未画出)中，阀壳起到磁通管的作用。亦即，磁通管与阀壳102形成一体，可以用不锈钢或普通碳钢制成。
电流被供向电气接头136。电线(未画出)从电气接头136引向电线圈132。当电流施于电线圈132，磁场生成而流经磁致伸缩件130、磁极138、140和142，以及磁通管134。磁极138、140和142由适当地透磁材料，诸如铁素体、不锈钢或普通碳钢制成。磁极138是“固定的”磁极，为磁致伸缩件130第一端、电线圈132和磁通管134提供结构上的支承。磁极140联接于磁致伸缩件130第二端而磁极142联接于电线圈132第二端和磁通管134。磁极140是“内极”，而磁极142是“外极”，同心地围绕内极142设置。磁极142、电线圈132和磁通管134由锁定螺帽144保持就位，后者最好是靠螺丝拧入阀壳102的内壁。磁极140和142彼此配合以在启动装置第二端处形成磁通通路，但磁极140可以相对于磁极142移动，以致磁致伸缩件可以在磁场方向上伸展，磁场则取向得以致启动装置可提供相反于弹簧装置关闭力量的开启力量。
在另一实施例(未画出)中，磁极138和142是阀壳102的各组成部分，而磁极可以与磁致伸缩件形成一体。磁极138和142当阀壳102由可透磁材料诸如不锈钢或普通碳钢制成时可以与阀壳102制成一体。
最好是施加予应力于磁致伸缩件以当施加磁场时放大伸展的大小。磁致伸缩件130的予压可增大每单位施加磁场的净位移。诸如比方圆盘弹簧150的弹簧可以用以提供予压力。另外的一些压紧零件可以代替圆盘弹簧150用以提供预应力，诸如比方螺旋弹簧或另一类型具有同样弹簧力的弹簧、液压活塞，或者各压紧分件的某一组合。当采用予压力时，启动器的位移可以增大到磁致伸缩件130总长的大约0.13％。不过，位移的大小可以随温度不断升高而下降。比如，在一般的往复式引擎缸盖温度下，实际位移可以是经过预压的磁致伸缩件130长度的大约0.065％。
磁致伸缩件的各尺寸是按照喷射阀100的需求规定的。比如，如果喷射阀100用以形成至少大约65mm的升程，则磁致伸缩件130的尺寸定得具有至少大约100mm的长度。另外，环形磁致伸缩件130的壁厚选定得可提供足够的力量以克服所有把喷射阀100保持在关闭位置上的相反力量。如果环形磁致伸缩件130的横截面积不足，各相反力量可以减少或阻止磁致伸缩件130的纵向位移，即使当电线圈132是被完全供能的。这种模式称作“受阻力量”模式。因此，作用在阀针114上的关闭力量的大小决定磁致伸缩件130的横截面积。
一如图1之中所示，启动装置最好是位于阀壳102之内并围绕阀杆114a同心地设置而在该处它占据阀杆114a与阀壳102之间环形空间的一部分。因此，启动装置可以暴露于在其从入口108到喷嘴孔眼110的路上流以空心阀体的燃料。
液压联接装置
由启动装置生成的开启力量经由液压联接装置传递给阀针114。液压联接装置包括液压缸体160，以紧密配合关系设置在液压活塞114b周围，后者可在缸体160之内沿纵向自由移动。如上所指出，在图1实施例中，液压活塞114b的阀针114的一个组成部分，而缸体160的侧壁有助于在启动方向上导引阀针114。一种粘性液压流体由缸盖162和密封件166、168和169密封在液压缸体160之内(见图2)。密封件168和169允许阀件114分别相对于缸盖162和缸体160移动。可以应用已知的各种密封件，诸如比方弹性O形圈密封件，盘根、金属密封件，或者膜片/波纹管密封件。
液压活塞114b外径与液压缸体160内径之间的直径间隙极小(205至250微米量级)，所需的间隙大小取决于若干因素，诸如所选液压流体的粘度、活塞的纵向长度，以及活塞以上和以下液压流体的厚度。间隙中的液压流动由Hagen-Paiseuille流动支配，而液压流体和间隙最好是选定得以致当开启力量经由液压流体被传递时各燃料喷射活动的时间间隔期间通过间隙的液压流体流量是微不足道的。其次，流压流体最好是具有足够大的粘度和体积弹性模量，以致当启动装置的启动造成经由缸体160底部与液压活塞114b的液压流体被迅速传递的阀门开启力量时，它起到一种不可压缩固定的作用。为了操作的一贯性，液压流体还最好是极其稳定的流体，可在很大的温度范围内(亦即，在缸体内部的各种预期操作温度之内)保持其所需的性质。适当的一些液压流体是，比如，通常的马达油，诸如15w40级的；或者合成润滑剂，诸如DuPonTKrytox油脂，后者可以以一系列的粘度提供。Krytox是一种高氟聚醚(PFRE)合成润滑剂，可以与一种加稠剂混合以形成油脂。这些类型的液压液体也有助于润滑密封件166和168。不同的喷射阀可以具有不同尺寸的活塞和间隙，所以液压流体可以考虑某一个别喷射阀设计的特征而予以选定。
当喷射阀100被关闭并静置时，关闭力量经由保持在缸盖162与液压活塞114b之间的液压流体予以传递。一般，在引擎运转期间，喷射间100大多数时间内是关闭的(通过超过90％的时间)。于是，在各喷射活动之间有足够的时间使液压流体通过流程间隙来重新分配自身，以致液压缸体160相对于活塞114移动以自动地使自己“重新归零”。最初的零位置是在组装喷射阀100之后液压活塞114b在液压缸体160之内的位置。初始的位置由于在制造公差之内各部件长度方面的变异，而不可能对所有喷射器都是一样的。另外，在运转期间，零位置针对变化而自行调节，取决于比如部件磨损或取决于热胀对各部件之间尺寸方面的关系的影响。
热胀或热缩的差别可以是由热胀系数的差别或各部件之间的不均匀热分布造成的。即使喷射喷射阀100的各部件，诸如磁致伸缩件130、阀针114，以及阀壳102，设计得合理得匹配于其他一些部件的热胀率，但由于由阀门升程和导致这种升程的各部件的位移都是如此之小，所以热胀或热缩的效应应当予以考虑以确保达到所需的阀门升程。热胀和热缩的效应，如果喷射阀暴露在很大范围的温度之下，是可能放大的。对于用在汽车之中的喷射阀来说，并非不寻常的是，指望温度范围为-40℃(寒冷天气下)与+125℃(引擎运行时)之间。不均匀温度分布可以是许多因素造成的结果。包括比如(1)在电线圈132处生成的热量；启动装置中的磁滞；以及(3)经由阀门端头106出自缸盖或燃烧室的热传导。如果不作解释的话，热胀或热缩的差别对于阀针114位移的总效应可以大于升程目标值。
概括起来，液压联接装置计及了出自制造过程和喷射阀组装方法之中的允许公差的、部件尺寸方面的变异。因此，液压联接装置由于允许喷射阀各部件制造到不大严格的公差。此外，在运转期间，液压联接装置在各喷射活动之间自行调节本身以计及可能比如由部件磨损或热胀或热缩差别造成的喷射阀各部件之间尺寸关系方面的变化。
操作综述
当喷射阀100静置在关闭位置上时，弹压阀针114而顶住阀座112的关闭力量源自阀针弹簧116。从阀针弹簧116起，关闭力量经由阀针弹簧导向器118被传递给阀针114。关闭力量最好是由机械弹簧件，诸如图示的螺旋弹簧提供，以致喷射阀100的失效模式将处在关闭位置上。亦即，如果启动装置未被供能或者失效了，则喷射阀100会保留在关闭位置上。
为开始喷射活动，通过向电线圈132供送电流而使启动装置被供电。磁通产生而流过磁致伸缩件130、磁极138、140和142，以及磁通管134。在磁场的作用下，磁致伸缩件130长度伸展(在磁场方向上)。由于磁极138处在固定的位置上，磁致伸缩件130在液压缸体160的方向上伸展。开启力量，源自伸展的磁致伸缩件130，经由内极140、缸体160底座、液压流体164b传递(见图2)，后者保持在缸体160底座与液压活塞114b的一平面表面之间，以及最后，经由活塞传递，后者在图示实施例中与阀针114形成一体。开启力量大于关闭力量，这就造成了阀针弹簧116的压缩。液压缸体160的位移还造成圆盘弹簧150的进一步压缩。一如前所说明，由于阀门启动是突然发生的(200ms量级)，液压流体164b没有时间流过活塞114b与液压缸体160之间的狭窄间隙。相反，液压流体164b起到固体作用而经由活塞114b把磁致伸缩件的运动传递给阀针114，导致阀针114抬离阀座112。由于喷射阀100在如此短暂的时期内(一般小于3ms)保持开启只要液压流体164选定正确和间隙尺寸定得适当，在喷射阀100开启时通过间隙的液压流体流量是微不足道的，以致由这种流量造成的任何位移要比阀针114的总位移小得多。
阀针114的运动在阀门端头106附近由导向器180予以导引(见图3)。图3表明围绕阀杆114a设置的环形空间182。在各喷射活动之间，燃料存留在环形空间182之内。当喷射阀100开启时，燃料流经环形空间182、各阀门部件之间的其他一些间隙，以及设置某些阀门部件上的一些孔口，它们全都配合起来以允许燃料从入口108自由流过到达喷嘴孔眼110(可以是从喷嘴喉口沿径向取向的许多喷嘴孔眼之一)。比如，图1-3表明各孔口，形成穿过诸如阀针弹簧外套122、锁定螺帽144和磁极138等各部件的各流体通路。图3还表明阀壳102与阀门端头106之间的密封件184，以及缸盖端面密封件186，后者密封在喷射阀100与引擎缸盖(未画出)之间。
随着燃料流经阀壳102，燃料可冷却启动装置。燃料流动路径最好是配置得可为电线圈132的内径表面和磁致伸缩件130的外径表面提供最好的冷却。此外，燃料流量的一个很小的百分数，或许高至大约20％，可以使之流动在磁致伸缩件130的内径表面与圆柱形阀杆114a的表面之间。当燃料以此方式用以冷却启动装置时，热模拟可以预测出温升不大于10℃。
当关闭喷射阀100，在喷射活动的末尾，电线圈132被解除供电，导致磁致伸缩件130收缩。当阀针114正要自开启位置移向关闭位置时，关闭力量阀针弹簧116和圆盘弹簧150发出。关闭力量从阀针弹簧116通过阀针弹簧导向器118再次被传递给阀针114。在开启位置上，伸展的磁致伸缩件130曾压紧弹簧150，所以一旦关闭，圆盘弹簧150就解除压力而朝向启动装置推动缸体160向下并压向磁致伸缩件130。圆盘弹簧150还可以通过生成从圆盘弹簧150经由缸盖162、液压流体164a和液压活塞114b传递的关闭力量而提供附加的关闭力量给阀针114。
当阀针114从开启位置移动到关闭位置时，经过的时间一般还是小于250ms，最好是少于大约200ms，所以液压流体160再次没有时间流经活塞114b与缸体160之间的间隙。随之，在活塞114b的上部平面表面上液压流体之中的压力升高了。
一当阀针114接触阀座112，喷射阀100就被关闭。在喷射阀100被关闭时，液压联接装置自动地自我调节，以致液压缸体160相对于液压活塞114b的位置得以校正以计及温度、磨损和阀针114相对于液压缸体160的任何微小运动的效应，它们可能在阀针114本来处在开启位置上时就已出现。自行调节是通过液压流体从液压活塞114b的一侧迁移到另一侧，而同时圆盘弹簧150可确保液压缸体160与阀针114始终保持直接接触。
图4是一图线，标画出同一喷射阀但具有不同阀针的性能曲线。在一项测试中，喷射阀配备一非铁磁阀针，而在另一项测试中，同一喷射阀配备一铁磁阀件。在此试验中，非铁磁阀件由钛制成而铁磁阀件由工具钢制成。喷射阀是用氮而不是燃料予以测试的。为了显示阀门性能，氮基本上与诸如天然气这样的气态燃料的表现一样。此图线标画出氮的质量流与脉冲宽度(亦即，一次喷射活动中喷射阀保持开启的时间)的关系。一如可能期待的那样，对于越大的脉冲宽度，质量流越强。配备钛制阀针的喷射阀的性能曲线是用标以“×”的点标画出来的。配备工具钢阀针的喷射阀的性能曲线是用标以“+”的点标画出来的。而未标画出来的性能曲线基本上是一样的。因此，图4中的图线表明，非铁磁阀件可以代替非铁磁阀针而不影响性能，也不会从磁致伸缩件泄出磁通。
本喷射阀提供若干好处，包括：
一紧凑的同心的阀针/启动装置配置，用于容放细长的管状磁致伸缩件；
通过采用由代替非铁磁材料的铁磁材料制成的阀针提高了耐久性。已知的一些采用设置在管状磁致伸缩件之内的各构件的设备都使用由非铁磁材料制成的各构件以避免磁通的漏失。不过，非铁磁材料，诸如奥氏体不锈钢、钛和陶瓷都不能匹配铁磁材料的透入硬度性质和耐久性。
阀针的工艺性和机加工性得以提高而达到比较高级的公差使制成的部件尺寸方面较少变异。达到高级公差的工艺性是一项重要的优点，因为由磁致伸缩件的伸展造成的阀针位移较小，以致制成的部件尺寸方面的较少变异可改进性能和运作的一贯性。
适当的铁磁材料比适当的非铁磁材料便宜。
使用轴对称的圆柱形各零部件和喷射阀各部件之间不大严密的公差，可使制造性的提高成为可能。
虽然本发明的具体原理、实施例和应用已经图示和说明，但当然可以理解，本发明并不局限于此，因为本技术领域中的熟练人员可以作出各种修改而不偏离本次披露的范畴，特别是在前述各种教益的启示之下。

Claims (23)

1.一种用于把燃料射进内燃机燃烧室的喷射阀，所述喷射阀包括：
(a)阀壳，包括：
燃料入口；
内腔，流体连通于所述燃料入口；
喷嘴，包括至少一个喷嘴孔眼，后者提供从所述内腔到所述燃烧室的流体通路；
(b)阀针，所述阀针可在关闭位置与开启位置之间移动，在所述关闭位置，阀针的密封端接触阀座以流体密封所述内腔使之与所述喷嘴孔眼隔绝，在所述开启位置，所述阀针的所述密封端与所述阀座间隔开来从而所述内腔流体连通于所述喷嘴孔眼；
(c)阀针偏压装置，关联于所述阀针，所述阀针偏压装置施加关闭力量于所述阀针用于将所述阀针偏压在所述关闭位置；其特征在于，
所述阀针由铁磁材料制成并设置在阀壳之内，其中，所述喷射阀还包括：
(d)启动装置，关联于所述阀针并设置在所述内腔之内，所述启动装置包括磁致伸缩件，可启动以伸展长度并施加强于所述关闭力量的开启力量于阀针，从而把所述阀针移动到所述开启位置。
2.按照权利要求1所述的喷射阀，其中所述阀针偏压装置是弹簧。
3.按照权利要求2所述的喷射阀，其中所述弹簧包括至少一个圆盘弹簧。
4.按照权利要求1所述的喷射阀，其中所述启动装置设置在所述内腔之内、围绕至少一部分所述阀针的环形空间之内。
5.按照权利要求1所述的喷射阀，还包括液压联接装置，该液压联接装置包括被动液压联接物，具有某一厚度的液压流体，所述开启和关闭力量通过它予以传递，从而所述液压流体基本上起到固体的作用而在所述启动装置被启动时所述厚度基本上不变，并且其中所述液压联接物的所述厚度在所述启动器未被启动时可以响应于所述喷射阀各部件之间尺寸关系方面的变化而调节以在启动所述启动装置时保持所需的阀门升程。
6.按照权利要求1所述的喷射阀，其中所述铁磁材料是工具钢。
7.按照权利要求6所述的喷射阀，其中所述工具钢选自H型和M型工具钢。
8.按照权利要求5所述的喷射阀，其中所述液压联接物的所述厚度可响应于由热胀差别、规定公差之内的制成尺寸方面的变异和部件磨损中至少之一所造成的所述尺寸关系方面的变化而自行调节。
9.按照权利要求1所述的喷射阀，其中所述活塞是所述阀针的组成部分。
10.按照权利要求1所述的喷射阀，其中所述启动装置包括磁致伸缩件；电线圈，围绕所述磁致伸缩件设置；以及磁通管，围绕所述电线圈设置。
11.按照权利要求10所述的喷射阀，其中所述管状致动装置的一端由磁极支承，后者装接于所述阀壳。
12.按照权利要求5所述的喷射阀，其中流体通路延伸穿过所述启动装置和液压联接装置以及所述阀壳或延伸在他们之间以允许所述燃料流向各喷嘴孔眼并冷却所述启动装置和液压联接装置。
13.按照权利要求12所述的喷射阀，其中所述各流体通路是由所述启动装置和所述液压缸体的各部件的纵向表面上的沟槽构成的。
14.按照权利要求12所述的喷射阀，其中所述各流体通路是由所述阀壳内壁上的各纵向沟槽构成的。
15.按照权利要求12所述的喷射阀，其中所述各流体通路是由穿过所述启动装置和液压联接二装置的各部件和所述阀壳的孔口构成的。
16.按照权利要求1所述的喷射阀，其中阀门升程可以通过改变送向电线圈的电流大小以施加磁场于所述磁致伸缩式启动装置而予以控制。
17.按照权利要求9所述的喷射阀，其中所述磁致伸缩件是金属合金，包含铽、镝和铁。
18.按照权利要求1所述的喷射阀，其中所述燃料是气态燃料。
19.按照权利要求18所述的喷射阀，其中所述液压流体是液体。
20.按照权利要求19所述的喷射阀，其中所述液压流体选自马达油和黄油。
21.按照权利要求9所述的喷射阀，其中所述阀壳由可透磁材料制成而所述磁通管是所述阀壳的组成部分。
22.一种用于把燃料射进内燃机燃烧室的喷射阀，所述喷射阀包括：
(a)阀壳，包括：
燃料入口；
内腔，流体连通于所述燃料入口；
喷嘴，包括阀座和喷嘴孔眼，后者提供从所述内腔到所述燃烧室的流体通路；其特征在于，所述喷射阀还包括：
(b)阀针，由铁磁材料制成，包括具有密封端的圆柱形部分；以及具有预载端的活塞部分，所述阀针设置在所述阀壳之内，其中所述阀针可以在关闭位置与开启位置之间移动，在关闭位置，所述密封端接触所述阀座以流体密封所述内腔使之与所述喷嘴孔眼隔绝，在开启位置，所述密封端与所述阀座间隔开来从而所述内腔流体连通于所述喷嘴孔眼，其中阀门升程等于所述密封端离开所述阀座所行走的距离；
(c)阀针弹簧，关联于所述阀针的所述预载端，其中所述阀针弹簧被压缩以施加关闭力量于所述阀针，用于将所述阀针偏压在所述关闭位置上；
(d)启动装置，可以促动以施加强于所述关闭力量的开启力量于所述阀针，用于使所述阀件移动到所述开启位置，所述启动装置包括：
管状磁致伸缩件，围绕所述阀针的所述圆柱形部分设置；
电线圈，围绕所述磁致伸缩件设置；磁通管，围绕所述电线圈设置；以及
用于所述启动装置的支座，它起到磁极的作用并为所述磁致伸缩件的一端提供相对于所述阀壳的固定位置；以及
(e)液压联接装置，包括密封的液压缸体，围绕所述阀针的所述活塞部分设置；置放在所述液压缸体之内的液压流体，其中施加于所述阀针的所述开启和关闭力量经由某一厚度的所述液压流体传递，从而所述液压流体起到液压联接物的作用而所述厚度可响应于所述喷射阀各部件之间尺寸关系方面的变化而自动调节以当促动所述启动装置时保持所需的阀门升程。
23.按照权利要求22所述的喷射阀，其中所述磁致伸缩件是一金属合金，包含铽、镝和铁。
CNB028104951A 2001-05-23 2002-05-17 带有一铁磁阀针的直接启动式喷射阀 Expired - Lifetime CN1288338C (zh)

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