CN1636110A - 有液压式喷嘴针控制的燃油喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于柴油机的燃油喷射装置，它包括一喷嘴、一喷嘴支架和一燃油高压系统，并具有下列特征：－所述喷嘴支承体(1)具有一通过一连接管路(27)与所述燃油高压系统(12、6)连通的空腔(“阀弹簧腔”)(26)，－所述空腔通过一第一压力阀(18、19)和一第二压力阀(21、22)与所述喷嘴针弹簧腔(16)连通，－所述第一压力阀朝所述喷嘴针弹簧腔(16)的方向打开以及包括一阀体(18)，该阀体一方面通过所述喷嘴针闭合弹簧(14)的弹簧力压靠在其密封座(19)上，以及另一方面可在所述连接管路(27)内的压力作用下从其密封座(19)上抬起，由此使燃油从所述阀弹簧腔(26)流入到所述喷嘴针弹簧腔(16)内，－所述第二压力阀朝所述阀弹簧腔(26)的方向打开以及包括一阀体(21)，该阀体一方面通过一弱的阀弹簧(23)的弹簧力、另外再加上所述连接管路(27)内的压力压靠在其密封座(22)上，以及另一方面可在所述喷嘴针弹簧腔(16)内的燃油压力的作用下从其密封座(22)上抬起，由此使燃油从所述喷嘴针弹簧腔(16)流入到所述阀弹簧腔(26)内。

Description

有液压式喷嘴针控制的燃油喷射装置

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述特征的用于柴油机的燃油喷射装置。

在自动点火的内燃机中，燃油通过一燃油喷射设备喷入到燃烧室内。燃油喷射设备大多包括一台喷射泵，该喷射泵通过一压力管路与一由喷嘴支架和固定在喷嘴支架上的喷嘴组成的燃油喷射装置连接。所述喷嘴本身由一个制有喷口(喷嘴)的喷管体和一个用于关闭该喷口的喷嘴针组成。来自喷射泵的输入管通向一压力管路内，该压力管路在高压下将燃油导往喷口。可沿轴向移动地安装的喷嘴针在一喷嘴针闭合弹簧的力作用下压靠在其密封座上，但在经压力管路导入的燃油的足够高的压力作用下可从其密封座抬起，从而燃油可通过喷口进入燃烧室内。燃油在燃烧室内发生雾化，与处于燃烧室内的热的压缩空气混合并点燃。

在这种传统的燃油喷射装置中，业已证实的缺点在于，在点火延迟时间内，亦即在喷射开始与燃烧开始之间的时间间隔内，加入到燃烧室中的燃油量由于快速升高的压力和温度值在很短的时间内燃烧。开始时产生的高的压力峰值在燃烧室内引发噪声，在点火延迟时间内加入的燃油量越大，发出噪声越强。除此之外，为减少破坏环境的氮氧化物(NO_X)的形成，也谋求燃烧室内尽可能低的压力和温度值。

为避免这些缺点有利的是，在曲轴的上止点时首先只喷入和燃烧少量燃油，只有在接下来的膨胀阶段，此时伴随着压力和温度下降，才连续地增大喷射速率。为此目的提供一种在时间上延迟地打开的喷嘴，这种延迟打开可以通过提高喷嘴针开启压力，例如通过增大喷嘴针闭合弹簧的弹性常数来实现。

然而这种方法也带来一些严重的问题，因为对于在喷射结束时加入的燃油而言可供用于汽化、混合气体形成和燃烧的时间，由于喷嘴针(包括压紧销和应有的喷嘴针闭合弹簧)的惯性所以特别短。因此这一部分燃油以较低的压力被加入到燃烧室中以及只是不良地雾化。大的液滴与经压缩的燃烧空气仅不佳地混合，因此只能不充分地进行燃烧。其结果是严重地增大了废气排放量，尤其是一氧化碳(CO)、炭烟颗粒和未燃烧的碳氢化合物。

因此本发明所要解决的技术问题是提供一种所述类型的燃油喷射装置，其中，通过控制一喷嘴针这样改变喷射过程，即，使得燃油在喷射过程结束时以足够高的压力加入到燃烧室中，以便能充分雾化。在这里，对开始时的喷射过程应绝无不利的影响。此外，这种控制应能以微小成本实现。

按照本发明，上述技术问题通过权利要求1的特征部分得以解决。本发明有利的扩展设计通过从属权利要求的特征给出。

按照本发明提供了一种用于柴油机的燃油喷射装置，其包括一喷嘴和一固定在其上的喷嘴支架。在这里，喷嘴具有一喷管体和一个可沿一滑动面轴向移动地导引的喷嘴针以及一个制有喷口的喷嘴针的密封座。喷嘴支架包括一个有喷嘴针弹簧腔的喷嘴支承体和一个处于喷嘴针弹簧腔内的喷嘴针闭合弹簧。为供给喷口燃油，燃油喷射装置具有一个由一导向喷口的在喷嘴侧的压力管路和一汇入其中的在支架侧的压力管路组成的燃油高压系统。所述支架侧的压力管路本身与一来自一喷射泵的输入管连接。

喷嘴针一方面通过所述喷嘴针闭合弹簧的弹簧力压靠在其密封座上，另一方面在经喷嘴侧压力管路引入的燃油的高于所述喷嘴针闭合弹簧的弹簧力的压力作用下从其密封座上抬起，由此可使燃油到达喷口。

本发明的一项特有的特征是，所述喷嘴支承体具有一个通过一连接管路与所述燃油高压系统连通的空腔(“阀弹簧腔”)，该空腔不仅经由一第一压力阀而且经由一第二压力阀与所述喷嘴针弹簧腔连通。

所述朝喷嘴针弹簧腔方向打开的第一压力阀具有一阀体，该阀体一方面通过喷嘴针闭合弹簧的弹簧力压靠在其密封座上，另一方面通过经连接管路引入阀弹簧腔内的燃油高于针闭合弹簧的弹簧力的压力从其密封座抬起。通过打开第一压力阀，燃油可从阀弹簧腔流入喷嘴针弹簧腔。

与第一压力阀不同朝阀弹簧腔方向开口的第二压力阀有一个阀体，它一方面通过一阀弹簧的弱的弹簧力以及通过经所述连接管路导入到阀弹簧腔内的燃油的压力压靠在其密封座上，但另一方面通过喷嘴针弹簧腔内的燃油高于这些力的一压力从其密封座上抬起。通过打开第二压力阀，燃油可从喷嘴针弹簧腔回流到阀弹簧腔内，以及可以基本上消除在喷嘴针弹簧腔与阀弹簧腔之间的相对过压。因此，所述第二等压阀确保在喷嘴针弹簧腔内的压力基本上不高于在所述阀弹簧腔内或与之相连的燃油高压系统内的压力。给第二等压阀加载的阀弹簧的弹簧力是“弱”的，也就是说，在喷嘴针弹簧腔内的燃油相对于阀弹簧腔内的燃油具有很小的过压，就足以打开第二等压阀以及可在阀弹簧腔内平衡此过压。阀弹簧的弹簧力比针闭合弹簧的弹簧力小得多，例如只是针闭合弹簧的弹簧力的百分之几。在这里重要之处仅在于，只要在喷嘴针弹簧腔内不存在高于阀弹簧腔内的燃油压力时，第二等压阀一直保持处于关闭状态。

通过在喷嘴针弹簧腔内存在的燃油压力，使喷嘴针附加地朝其密封座方向加载。由此实现喷嘴针非常迅速的闭合运动，此外，在燃油压力很高的压力水平时喷嘴针已经置入。由于在接近喷射结束时高的燃油压力，从而为燃油的强烈雾化提供了最佳的前提条件。这尤其对于高的废气排放起到有利的作用，在这里首先是一氧化碳(CO)、炭烟颗粒和未燃的碳氢化合物，可以使它们明显地减少。实际上不再发生燃油微粒的漏流或燃气倒吹。

按照本发明的一项有利的实施方式规定，所述第二等压阀集成组合在第一等压阀内。

下面借助附图说明本发明的一种优选的实施方式。附图中：

图1表示现有技术中一已知的燃油喷射装置的纵向剖面图；

图2表示用于说明按图1所示现有技术中的一已知燃油喷射装置中的燃油压强P、喷嘴针行程h和喷射过程dQ/dt分别与曲轴转角KW关系的三个曲线图；

图3表示按照本发明的燃油喷射装置的纵向剖面图；

图4表示三个用于说明图2所示按照本发明的一燃油喷射装置中的燃油压强P、喷嘴针行程h和喷射过程dQ/dt分别与曲轴转角KW关系的曲线图；以及

图5表示两个用于比较燃油压强P和喷射过程dQ/dt分别与曲轴转角KW关系的曲线图，其中一个图涉及图1所示现有技术中的一已知的燃油喷射装置以及另一个图涉及图2所示按照本发明的燃油喷射装置。

图1所示现有技术中的一已知燃油喷射装置包括一个具有喷嘴支承体1的喷嘴支架和一个借助一锁紧螺母2固定在该支承体上的喷嘴喷管体3。喷嘴支承体1含有一个喷嘴针弹簧腔16，其中有一个喷嘴针闭合弹簧14。一在预紧的喷嘴针闭合弹簧14的弹簧力作用下通过一压紧销13压紧在其密封座7上的喷嘴针4处于所述喷管体3内。该喷嘴针4可沿滑动面5移动地导引；在此区域内它具有一横截面积A[N]。它的运动行程h受中间板9的凸肩10的限制。它的制有通入到燃烧室的喷嘴或喷口8的密封座7处于喷嘴针4的下端处。喷嘴针4在其密封座7的高度上具有一横截面积A[S]。

当喷嘴针4贴靠在其密封座7上时，喷口8被关闭。若喷嘴针4抬起，燃油可以从由支架侧的压力管路12和喷嘴侧的压力管路6组成的高压系统经喷口8进入到燃烧室内。喷嘴支承体1以孔的形式存在的支架侧压力管路12为了供给燃油一侧与来自喷射泵的燃油输入管11连接，以及另一侧汇入到喷嘴的喷嘴侧压力管路6内。

喷嘴针弹簧腔16与一所谓的漏油管17连接，以便无反压地将漏泄的燃油引回到油箱中。

喷嘴针闭合弹簧14的预紧力F_o通过一个处于喷嘴针弹簧腔16内的调整片15这样调整，即，使得存在所期望的开启压强P_i。在这里，开启压强P_i指的是那个在燃油喷射装置的高压系统12、6内的、在处于其密封座7上的喷嘴针4上造成力平衡的压强P。此压强作用在环形面积A[N]-A[S]上并与喷嘴针闭合弹簧14的弹簧力方向相反。因此，在力平衡时适用下列公式：

P_i·(A[N]-A[S])＝F_o                                    (1)

若超过压强P_i，喷嘴针4向上运动以及燃油可以通过喷口8进入燃烧室。一旦喷嘴针4抬起，压强P便也作用在密封座7的表面上。由此得出另一个参量，压强P₁，该压强正好阻挡喷嘴针关闭并且低于P_i，因为它作用在喷嘴针的整个横截面积A[N}上：

P₁·A[N]＝F_o                                           (2)

第三个参量是压强P₂，该压强正好将喷嘴针保持在上部止挡上以及除此之外取决于喷嘴针闭合弹簧14的刚度，亦即取决于其弹性常数：

P₂·A[N]＝F_o+D·h_max                                   (3)

其中D表示喷嘴针闭合弹簧14的弹性常数，h_max表示喷嘴针4的最大行程。

图2表示在一按照图1的燃油喷射装置中燃油压强P、喷嘴针行程h和喷射过程dQ/dt分别与曲轴转角KW的函数关系。OT表示曲轴的上止点。

在燃油输送开始(I)前，在高压系统12、6内存在所谓的稳定压强，亦即静压强，它在先前的喷射结束后形成以及取决于系统的设计。在本文无需进一步研究该稳定压强的大小。

燃油泵从一个预定的时刻起，即输送开始(II)时起，输送燃油，燃油经由燃油输入管11供入燃油喷射装置的高压系统12、6内。因为喷嘴针4仍支靠在其密封座7上以及喷口8是关闭的，所以高压系统12、6内的压强P升高。若压强P升高到超过所述开启压强P_i(III)，喷嘴针4便从其密封座7上抬起，并且燃油通过喷口8进入到燃烧室。因为P_i高于P₁以及通常也大于P₂，所以喷嘴针4加速运动直至达到对应于最大行程h_max的其上部行程止挡(IV)为止。

因为在一般的燃油喷射装置中通过喷射泵输送的燃油多于能从喷嘴排出的燃油，所以压强P继续增大。然后，在一预定的时刻，输送结束(V)，停止燃油输送。从此时刻起，压强通过喷口8和喷射泵连续下降。

若压强P下降到低于P₂的程度(VI)，喷嘴针4在喷嘴针闭合弹簧14的起主导作用的弹簧力的作用下，朝其密封座7的方向加速运动。当最后压强P小于P₁时，喷嘴针4重新支靠在其密封座7上并关闭喷口8。

由图2可见，喷嘴针闭合弹簧的密封座要在晚些时候，亦即在喷射结束(VII)时才到达，在那时压强P已降到远低于P₁。其结果是，在喷射结束时由于不良雾化燃油只能不充分燃烧。

在图3所示的按照本发明的燃油喷射装置中，那些与在按照图1所示的现有技术的已知燃油喷射装置中同样的部件采用相同的附图标记标注。因此省略对这些部件的再次说明。

在按照本发明的燃油喷射装置中，在喷嘴支承体1的上部区内有一空腔26(“阀弹簧腔”)，它通过一连接管路27与燃油高压系统12、6连通。此外，该阀弹簧腔26通过一第一压力阀18、19和一集成组合在该第一压力阀内的第二压力阀21、22与喷嘴针弹簧腔连通。

朝喷嘴针弹簧腔16方向打开的第一压力阀有一阀体18，它通过喷嘴针闭合弹簧14的弹簧力压紧在其密封座19上。第一等压阀的阀体18在喷嘴针弹簧腔16与阀弹簧腔26之间通过一在其外侧设有槽28的杆20加长。

第二压力阀包括一通过阀体18和杆20延伸的孔29，该孔朝喷嘴针弹簧腔16方向敞开，但朝阀弹簧腔26的方向用一个通过一个阀弹簧23的弱的弹簧力的作用下压靠在其密封座22上的滚珠21封闭。给滚珠21加载的阀弹簧23处于阀弹簧腔26内，并且其一侧支承在一贴靠在滚珠21上的压紧销24上，而另一侧支承在一个向外封闭所述阀弹簧腔26的堵塞25上。

若通过一燃油泵的输送将燃油经燃油输入管11、支架侧的燃油压力管路12及连接管路27导入到阀弹簧腔内，则燃油通过杆20的槽28到达第一等压阀的阀体18的密封座19。在第一等压阀18、19上因而存在燃料压强P。若燃料压强超过针阀闭合弹簧14的弹簧力，则阀体18从其密封座19抬起，以及燃油从阀弹簧腔26流入到喷嘴针弹簧腔16中。

第二等压阀21、22的滚珠21一方面通过阀弹簧23的微弱的弹簧力以及附加地通过经连接管路27导入的燃油的压强压靠在其密封座22上。另一方面在喷嘴针弹簧腔16内的燃料压力通过朝喷嘴针弹簧腔16方向敞开的孔29作用在滚珠21上。若在喷嘴针弹簧腔内的燃油压力大到超过阀弹簧23的弹簧力与经连接管路27引入的燃油压力之和，则滚珠21从其密封座22抬起，以及燃油从喷嘴针弹簧腔16流回到阀弹簧腔26内。由此基本上消除了在喷嘴针弹簧腔与阀弹簧腔之间的相对过压。

若第一等压阀和第二等压阀均关闭，则喷嘴针弹簧腔16对外封闭。因此，在喷嘴针弹簧腔16内存在一个称为喷嘴针弹簧腔压强(P[FR])的压强，除喷嘴针闭合弹簧14的弹簧力外，此压强也将喷嘴针4朝其密封座7方向挤压。由此改变了打开和关闭喷嘴针4的条件，因为作用在横截面面积A[N]上的压强P[FR]造成一个与喷嘴针闭合弹簧的弹簧力同向的力。由下列力平衡公式表示喷口8的开启条件：

P_i·(A[N]-A[S])＝F_o+P[FR]·A[N]                          (4)

若在燃油喷射时应存在与在按图1所示的已知燃油喷射装置中相同的起始条件，则弹簧力F_o必须调整得比较小。

“喷口8关闭”和“喷嘴针4关闭运动开始”参数，即P₁和P₂，现在取决于P[FR]并表述如下：

P₁·A[N]＝F_o+P[FR]·A[N]                                 (5)

P₂·A[N]＝F_o+D·h_max+P[FR]·A[N]                         (6)

为了确定P[FR]，在第一等压阀上必须进行力平衡，这种力平衡一方面由作用在密封座9的横截面A[V]上的压强和喷嘴针闭合弹簧14的弹簧力以及另一方面由作用在横截面A[V]上的燃油压强P得出：

P·A[V]＝F_o+P[FR]·A[V](适用于P₁)                        (7)

P·A[V]＝F_o+D·h_max+P[FR]·A[V](适用于P₂)           (8)

若燃油压强P高于用于平衡所需要的值，则第一等压阀的阀体18从其密封座19上抬起以及燃油进入到喷嘴针弹簧腔16内。因此在喷嘴针弹簧腔16内的压强P[FR]增大，直至重新调整到平衡。由于流入到喷嘴针弹簧腔16内的燃油量很小，所以流入喷嘴针弹簧腔16内的燃油量对于向燃烧室内喷射的影响可以忽略不计。

对于喷射结束时的研究只有公式8是重要的，因为由此得出可达到的最大压强P[FR]。由公式(8)得出P[FR]为：

P[FR]＝P-(F_o-D·h_max)/A[V]                          (9)

将公式(9)代入到公式(5)和(6)得出：

P₁＝P-(1/A[V]-1/A[N])·F_o                           (10)

P₂＝P-(1/A[V]-1/A[N])·F_o-D·h_max/A[V]              (11)

因此，与由现有技术已知的燃油喷射装置不同，P₁和P₂随燃油压强P的增大而增大。

图4与图2所示的针对由现有技术已知的燃油喷射装置的情况类似，表示了按照本发明的燃料喷射器中燃料压强P、针阀行程h和喷射过程dQ/dt分别与曲轴转角KW的函数关系。除燃油压强P外，表示了喷嘴针弹簧腔内的压强P[FR]和用于平衡的压强P₂。

喷射前(I)，在高压系统12、6以及喷嘴针弹簧腔16内存在稳定压强，这是在原先的喷射结束时形成的。若燃油输送开始时(II)，压强P升高。当压强P超过P_i的值时，喷嘴针4从其密封座7上抬起(III)，并因为压强P大于P₂所以加速运动直至达到其上部止挡(V)为止。从(IV)起，第一等压阀打开，燃油流入到喷嘴针弹簧腔16内。因此在喷嘴针弹簧腔内的压强P[FR]随燃油压强P一起增高。其结果是使P₁和尤其P₂也升高。输送在(VI)时终止，由此燃油压强P重新下降。然而在喷嘴针弹簧腔16内的压强保持不变以及进而P₁和P₂也保持不变。若燃油压强P低于压强P₂，则喷嘴针4开始其闭合运动(VII)。在(VIII)时，喷嘴针4重新坐落在其密封座7上以及喷口8关闭，此次喷射结束。如果燃油压强P在IX时降到低于P[FR]的值，则燃油通过滚珠阀从喷嘴针弹簧腔16流入到阀弹簧腔26中，以及P[FR]与P一起降低，直至不仅在高压系统12、6内而且在喷嘴针弹簧腔16内均形成一个取决于系统设计的稳定压强。

最后，图5表示由现有技术已知的按图1所示燃油喷射装置(虚线)与图3所示本发明的燃油喷射装置(实线)的燃油压强P和喷射过程dQ/dt的直接比较。喷嘴针闭合弹簧14的弹性常数，在按本发明的燃油喷射装置中选择得较小，所以在输送开始时燃油压强和喷射过程在两种燃油喷射装置中相同(实线)。当曲轴转角在OT(上止点)之上时，这两个参量变化明显不同。在按本发明的燃油喷射装置中，总体上调整为一个高得多的燃油压强；此外，燃油的输送终点朝更大的曲轴转角偏移。由于在按照本发明的燃油喷射装置中喷嘴针4要更早地以及在更高的燃油压强P的作用下重新置于其密封座7上，所以喷射过程呈现为一条陡峭的下降线。当喷射过程结束时，在按照本发明的燃油喷射装置中存在一个高出ΔP的燃油压强，该高出的燃油压强ΔP是明显地改善燃油雾化的前提条件。

总之，可以肯定，与由现有技术已知的燃油喷射装置相比，在按照本发明的燃油喷射装置中，相同的燃油量在一个更窄的曲轴转角范围内以大多数情况在总体上更高的压力喷射，与此同时，尤其在燃油输送结束时存在高得多的燃油压强。由于改善了燃油的雾化，可以显著减少CO、炭烟和未燃的碳氢化合物的排放量。

Claims (5)

1.一种用于柴油机的燃油喷射装置，其包括

-一喷嘴，该喷嘴包括一喷管体(3)和一可沿一滑动面(5)轴向移动地导引的、具有一个设有一些喷口(8)的密封座(7)的喷嘴针(4)，

-一固定在所述喷嘴上的喷嘴支架，其包括一个喷嘴支承体(1)，该喷嘴支承体具有一个喷嘴针弹簧腔(16)和一个处于其中的喷嘴针闭合弹簧(14)，以及

-一燃油高压系统，该燃油高压系统由一通向喷口(8)的在喷嘴一侧的压力管路(6)和一汇入该压力管路中的在支架一侧的压力管路(12)组成，该系统与一个来自喷射泵的输入管(11)连接，其中

喷嘴针(4)一方面通过喷嘴针闭合弹簧(14)的弹簧力压靠在其密封座(7)上，以及另一方面在经喷嘴侧压力管路(6)引入的燃油的高于喷嘴针闭合弹簧(14)弹簧力的压力作用下从其密封座(7)抬起，

其特征在于：

-所述喷嘴支承体(1)具有一通过一连接管路(27)与所述燃油高压系统(12、6)连通的空腔(“阀弹簧腔”)(26)，

-所述空腔通过一第一压力阀(18、19)和一第二压力阀(21、22)与所述喷嘴针弹簧腔(16)连通，

-所述第一压力阀朝所述喷嘴针弹簧腔(16)的方向打开以及包括一阀体(18)，该阀体一方面通过所述喷嘴针闭合弹簧(14)的弹簧力压靠在其密封座(19)上，以及另一方面可在所述连接管路(27)内的压力作用下从其密封座(19)上抬起，由此使燃油从所述阀弹簧腔(26)流入到所述喷嘴针弹簧腔(16)内，

-所述第二压力阀朝所述阀弹簧腔(26)的方向打开以及包括一阀体(21)，该阀体一方面通过一弱的阀弹簧(23)的弹簧力、另外再加上所述连接管路(27)内的压力压靠在其密封座(22)上，以及另一方面可在所述喷嘴针弹簧腔(16)内的燃油压力的作用下从其密封座(22)上抬起，由此使燃油从所述喷嘴针弹簧腔(16)流入到所述阀弹簧腔(26)内。

2.按照权利要求1所述的燃油喷射装置，其特征为：所述第二等压阀集成组合在所述第一等压阀内。

3.按照权利要求2所述的燃油喷射装置，其特征在于：

-所述第一等压阀的阀体(18)在所述喷嘴针弹簧腔(16)与阀弹簧腔(26)之间具有一轴向杆(20)，它的外侧制有导引燃油用的槽(28)，

-所述阀体(18)和所述杆(20)均设有通孔(29)，该通孔在其喷嘴针弹簧腔那一侧的端部开口，以及在其阀弹簧腔(26)那一侧的端部借助一通过所述阀弹簧(23)的弹簧力压靠在其密封座(22)上的滚珠(21)封闭。

4.按照上述权利要求1至3中任一项所述的燃油喷射装置，其特征为：所述阀弹簧(23)处于所述阀弹簧腔(26)内。

5.按照权利要求4所述的燃油喷射装置，其特征为：所述阀弹簧(23)支承在一个向外封闭所述阀弹簧腔(26)的堵塞(25)上。

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