CN1965162A - 具有可变的执行机构变换比的燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室中的燃料喷射器(1)。该燃料喷射器(1)包括一个可通过一个压电执行机构(8)直接操作的喷射阀元件(9)。该喷射阀元件被接收在燃料喷射器(1)的一个喷嘴体(3)中及可通过一个弹簧元件(15)被置于其关闭位置中。在压电执行机构(8)与喷射阀元件(9)之间设有一个液压变换器装置(12，14)，用于使待由压电执行机构(8)施加的力适配于喷射阀元件(9)的打开力变化曲线。

Description

具有可变的执行机构变换比的燃料喷射器

技术领域

为了对内燃机供给燃料，使用了燃料喷射系统，所述系统包括多个燃料喷射器。在压燃式内燃机上现在还使用了共轨燃料喷射系统。这些可分别由一个燃料共轨(Common Rail)供给燃料的燃料喷射器通过电磁阀或通过压电执行机构控制。在其操作部件设计为压电执行机构的燃料喷射器中，一个针式地构成的喷射阀元件可通过压电执行机构上电压的改变被直接地控制。当压电执行机构通电流时压电晶体叠堆发生伸长，当电流退回时该伸长也缩回。

背景技术

在通过压电执行机构操作的燃料喷射器中，压电执行机构的晶体叠堆当被通电流时发生伸长。视通电流的程度而定，压电执行机构的压电晶体叠堆将伸长不同的量。而当电流退回时压电晶体叠堆则又取得其原始的长度。已经证实，由于压电执行机构的压电晶体叠堆被通以具有不同电流幅值的电流，可被构造成喷嘴针的喷射阀元件的中间位置仅具有不充分的稳定性。

如果在具有被直接控制的喷射阀元件的燃料喷射器中使用压电执行机构，则由此喷射阀元件在其完全打开与其完全闭合的位置之间所需的中间位置仅能被不充分稳定地保持，这将带来在喷射阀元件的中间位置中喷射到压燃式内燃机的燃烧室中的燃料量的很大的分散性。

为了在通过压电执行机构直接对阀针控制的燃料喷射器中打开喷射阀元件，必需首先克服大的力。喷嘴针形式地构成的喷射阀元件通常以系统压力、这就是说在共轨喷射系统的情况下以共轨的压力(Rail-Druck)被压在其阀座上。这些力可能在大于100N的范围中。为了在喷射阀元件完全打开的情况下可由燃料喷射器提供足够的燃料流，必需作到喷射阀元件的行程为多个100μm，约在200与300μm之间的数量级中。在多个100N、如400N范围上的最大打开力F_max及在200与300μm之间的数量级中的喷射阀元件的最大行程的大小基本上确定了直接操作燃料喷射器的压电执行机构的结构尺寸。

通过例如液压地起作用的变换部分的实施虽然可改变压电执行机构的长度/直径关系，但执行机构的体积仅通过需克服的最大打开力F_max及针式构成的喷射阀元件的需实现的最大行程来确定。

本发明的概述

通过根据本发明提出的方案，由压电执行机构提供的力通过例如两级构成的变换比来适配打开力变化曲线，即适配喷射阀元件的阀座力。通过根据本发明提出的对打开力变化曲线的适配，在喷射阀元件由系统压力加载的情况下可提供大的力来打开可喷嘴针式构成的喷射阀元件，借助该力可使喷射阀元件离开阀座位置。为了接着引起针式构成的喷射阀元件的完全打开，从压电执行机构的一个确定的行程起变换比被转换。

此外，通过根据本发明提出的、由压电执行机构提供的力的多级变换以有利的方式实现了喷射阀元件的一个稳定的中间行程止挡。在一个确定其关闭位置的止挡与确定其打开位置的止挡之间的喷射阀元件的中间行程位置，即喷射阀元件的一个弹道学位置的保持对于实现在压燃式内燃机的燃烧室中喷射小燃料容积量被视为是至为关键的。根据本发明提出的、使压电执行机构提供的力形成两级或多级的变换的方案可使燃料喷射器的喷射阀元件可靠地移动到弹道学的中间位置上并被稳定地保持。

附图说明

以下借助附图来详细地描述本发明。

附图表示：

图1：具有喷射阀元件的直接控制及耦合在预行程套筒内的变换器活塞的一个燃料喷射器，

局部X

(图1.1)：以放大比例表示的、根据上图在其中构造有连接孔的变换器活塞之一，

(图1.2)以概图表示的喷射阀元件的燃烧室侧的阀座，

图2：包围根据图1中视图的一个预行程套筒的、用于补偿径向安装公差的另一套筒，

图3：两个变换器活塞中一个的支撑位置改变的实施方案，及

图4：压电执行机构的可由分级变换比达到的力及行程相对无分级变换比的操作系统的相互对比。

具体实施方式

由图1可看到根据本发明提出的燃料喷射器的一个纵截面，它具有喷射阀元件的直接控制部分及压电执行机构行程的可变的变换部分。

燃料喷射器1包括一个喷射器体2，它也被称为保持体。燃料喷射器1的喷射器体2通过一个夹紧螺母4与一个喷嘴体3用螺纹部分5相连接。喷射器体2包括一个高压接口6，通过该高压接口对一个构成在喷射器体2中的空腔7加载系统压力，即例如加载共轨(Common Rail)中存在的燃料压力水平。由喷射器体2的空腔7向着一个构成在喷嘴体3中的喷嘴室10延伸着一个喷嘴室输入部分11，该喷嘴室包围着一个针式构成的喷射阀元件9。在也加载系统压力的喷嘴室10的区域中，在可针式构成的喷射阀元件9上构造了一个压力台阶。通过在喷嘴室10中具有的系统压力在打开方向上加载该针式构成的喷射阀元件9。

在喷射器体2的空腔7中接收了一个压电执行机构8。在根据图1的视图中该压电执行机构8仅被概要地表示及包括多个彼此上下层叠的压电晶体，在压电执行机构8通电流时这些压电晶体发生伸长。由此在喷射器体2的空腔7内的压电执行机构8在垂直方向上伸长及由此提供用于操作喷射阀元件9所需的力。如果相反地压电执行机构8的电流供给被中断，则在垂直方向上彼此叠置的各个压电晶体-从垂直方向上看-又取得其原始长度，由此压电执行机构8在不通电流的状态中从整体上看又取得其原始长度。

由图1的视图可看出：-个预行程套筒13既包围着一个第一活塞12(A)也包围着一个第二活塞14(B)。第一活塞12(A)及第二活塞14(B)的两个彼此面对着的端面以及包围两个活塞12及14的预行程套筒13限定了一个液压耦合室23。预行程套筒的外径用d_V来标示。

在第一活塞12(A)上设有一个盘状构成的止挡，该止挡靠触在压电执行机构8的底面上。盘状构成的止挡18既对一个内部的弹簧元件16也对一个外部的弹簧元件17加载，这些弹簧元件例如可被构造成螺旋弹簧。内弹簧元件16支撑在预行程套筒13的一个端面上，而外弹簧元件17支撑在喷射器体2的一个面上，该喷射器体本身包围着预行程套筒13。无论喷射器体2还是预行程套筒13均用其背着压电执行机构8的端面沿一个分离缝靠触在喷嘴体3的上平面上。第一活塞12(A)的直径用d_A来标示。

根据图1的视图，在预行程套筒13的下面，在燃料喷射器1的喷嘴体3中构造有一个空腔。在该空腔中接收第二活塞14(B)，该第二活塞的变细的端部伸入到预行程套筒13中及在耦合室23中位于第一活塞12(A)的端面的对面。第二活塞14(B)由另一弹簧元件21加载，该弹簧元件的一侧支撑在第二活塞14(B)的一个凸缘上及另一侧支撑在喷嘴体3中空腔上方预行程套筒13的下端面上。通过一个概要表示的孔22使该空腔与一个对第二活塞14(B)的活塞端面19加载的控制室20形成液压连接。在根据图1的视图中活塞端面19靠触在喷射阀元件9上方的喷嘴体3的一个平面上。

控制室20位于第二活塞14(B)的下面，在该控制室中接收着一个控制室弹簧元件15。该控制室弹簧元件15的一侧支撑在第二活塞14(B)的活塞端面19上及另一侧支撑在针式构成的喷射阀元件9的端面上。在喷嘴室10的上方的、针式的喷射阀元件9的直径通过d_N来标示。

由局部X(图1.1)可看到以放大比例表示的第二活塞14(B)。

由该视图可得知：在根据图1的视图中燃料喷射器1的喷嘴体3的上区域中的空腔通过一个孔22与由第二活塞14(B)的活塞端面19构成边界的控制室20形成液压连接。也可取代所示的孔22，该液压连接通过第二活塞14(B)的圆周面上的槽或其它类型的空部来实现。用h_V来表征预行程套筒13下端面与第二活塞14(B)上的一个凸缘之间的确定距离。

首先，可针式构成的喷射阀元件9通过控制室弹簧元件15被压在喷嘴座上及由此关闭在图1及1.1中未示出的喷射孔，燃料通过这些喷射孔可被喷射到压燃式内燃机的燃烧室中。第二活塞14(B)通过-接收在喷嘴体3的空腔中的-另一弹簧元件21向下压在一个构成在喷嘴体3中的平面上。第二活塞14(B)的活塞端面19贴靠在该平面上。被接收在喷嘴体3的空腔中的所述另一弹簧元件21的弹簧力超过控制室弹簧元件15的弹簧力。同时地，预行程套筒13通过内弹簧元件16被压在喷嘴体3的上端面上。该位置代表预行程套筒13的原始位置。在该状态中存在着在图1及局部X(图1.1)中用hV指示的、预行程套筒13的下端面与第二活塞14(B)的圆周上的一个凸缘26之间的距离。

在该状态中假定：压电执行机构8被通电流，即它的压电晶体在电压的作用下及由此在垂直方向上已伸长。

如果减小压电制动器8的电流，则由于压电执行机构8的压电晶体长度的缩短，第一活塞12(A)由液压耦合室23向外运动。由此使液压耦合室23中的压力下降。第二活塞14(B)对液压耦合室23中的压力变化响应及与压电执行机构8同步地运动。由于第二活塞14(B)的垂直运动，控制室20中的压力下降。压电执行机构8上的电压下降愈多，控制室20中的压力下降愈大。如果达到一个临界压力，即针式构成的喷射阀元件9的打开压力P_，则该喷射阀元件打开。打开压力P_(从达到该压力起针式构成的喷射阀元件9打开)通过喷嘴座直径d_S(参见根据图1.2的视图)，系统压力P_CR以及直径d_N、即由可针式构成的喷射阀元件9本身的直径根据以下关系式来确定：

P_＝P_CR(d_N ²-d_S ²)/d_N ²

式中：P_CR＝系统压力

d_N＝喷射阀元件9的直径

d_S＝阀座直径。

这里，作用在可针式构成的喷射阀元件9上的弹簧力出于简化的原因被忽略。

在打开阶段期间，压电执行机构8借助其在控制室20中产生一个低压的有效的活塞直径是直径d_A，即第一活塞12(A)的直径。这意味着，现在在压电执行机构8与针式构成的喷射阀元件之间存在一个由下式确定的小的增大变换比(或根据参数的选择为小的减小变换比)：

i₁＝d_A ²/d_N ²。

当针式构成的喷射阀元件9的打开期间，该喷射阀元件共同地随着第一活塞12(A)或第二活塞14(B)的垂直向上的运动而打开。通过喷嘴座的渗入压力得到的打开力首先仅通过第一活塞12(A)的小的活塞直径d_A作用在压电执行机构8上。由于喷射阀元件9在喷嘴座区域中的渗入压力及产生的打开力，压电执行机构8可控制针式构成的喷射阀元件9的运动。当第二活塞14(B)用其凸缘26止挡在预行程套筒13的下端面上时，变换比才改变到：

      i₂＝＝d_V ²/d_N ²

式中    d_V＝预行程套筒13的直径，及

      d_N＝喷射阀元件9的直径。

第二变换比i₂被确定得大于第一变换比i₁。为了使针式构成的喷射阀元件9进一步打开，现在压电执行机构8上的电压首先必需更强地下降，因为压电执行机构8使-其直径由d_V标示的-预行程套筒13从控制室20向外拉。为了使针式的喷射阀元件9进一步地打开，压电执行机构8上的电压首先被更强地下降，因为压电执行机构8使具有直径d_V的预行程套筒13从控制室20向外拉及控制室20中的压力小于系统压力、即共轨压力(Raildruck)。但为了可针式构成的喷射阀元件9的完全打开现在仅需压电执行机构8的很小行程，因为变换比i₂现在可被选择得大。如果相反地仅需向压燃式内燃机的燃烧室喷入小的喷射量，则可针式构成的喷射阀元件9被以有利的方式停留在预行程止挡上，直到电压重新升高，以使可针式构成的喷射阀元件9闭合为止。

由根据图1.2的简要表示的视图可看到：可针式构成的喷射阀元件9在喷嘴体3的燃烧室侧端部中其阀座区域上具有阀座直径d_S。

由根据图2的视图可看到根据本发明提出的可变的执行机构行程变换比的一个变换的实施方案。

根据图2中所示的实施方案，预行程套筒13被另一套筒24包围。无论是喷射器体2还是预行程套筒13以及另一套筒24均支撑在喷嘴体3的上平面上。借助在图2中所示的实施方案可以补偿延伸在径向上的安装公差。使喷嘴体3与喷射器体2彼此连接的夹紧套筒4在根据图2的视图中未被表示出。

与图1中所示实施方案不同的是取消了使第二活塞14(B)定位的所述另外的弹簧元件21。由根据图2的视图可得知，现在使第二活塞14(B)定位的弹簧元件25组合在液压耦合室23中。与图1中所示的根据本发明提出的实施方案类似地，液压耦合室23由预行程套筒13的内圆柱面及第一活塞12(A)与第二活塞14(B)的端面来限定。组合在液压耦合室23中的弹簧元件25可在一个栓上对中，该栓位于活塞12或14之一的端面上。

在根据图1所示的实施方案中外弹簧元件17直接地支撑在喷射器体2上，而在根据图2所示的实施方案中外弹簧元件17使另一套筒24靠触在喷嘴体3的上平面上。为完整起见应指出，第二活塞14(B)通过接收在液压耦合室23中的弹簧元件25的作用用其凸缘26压靠在喷嘴体3中的一个平面上。与根据图1的视图类似地，控制室弹簧元件15位于控制室20中，该控制室弹簧元件对可针式构成的喷射阀元件9加载。

由根据图3的视图可看到用于实现可变的执行机构行程变换比的装置的另一实施方案。

根据图1及图2所示的实施方案，第二活塞14(B)用其活塞端面19或用其凸缘26支撑在喷嘴体3上，而由根据图3的实施方案可得知：第二活塞14也可支撑在喷射阀元件19上。为此在凸缘26的下面设有一个栓状的延伸部，该延伸部靠触在针式构成的喷射阀元件9的上端面上。凸缘26包括：一个上支承面27，该面与预行程套筒13的下端面相对；及一个下靠置面28，该面向着针式构成的喷射阀元件9。在图3的实施方案中，预行程套筒13由内弹簧元件16加载。在图3中所示的实施方案中，弹簧元件25也被接收在液压耦合室23内在第一活塞12(A)与第二活塞14(B)之间，并且可选择通过栓来对中。

在图4的视图中表示由分级变换比可达到的执行机构力及执行机构行程与无分级变换比的系统的所述力或行程的对比。

用参考标号30标示喷射阀元件9的行程变化曲线，其中用h_max表示喷嘴体3内喷射阀元件9的最大行程及用h_V表示第二活塞14(B)上的凸缘26与预行程套筒13的下端面之间的确定距离。由Fmax表示待通过压电执行机构8施加的最大力，该力是从喷嘴座上抬起针式构成的喷射阀元件9所需的。根据图4中所示的具有分级变换比的压电执行机构8的力-行程曲线33，在达到距离h_V时待由压电执行机构8施加的力下降到最大力F_max的四分之一，其中在到达到距离h_V前具有变换比i₁。由图4还可得知：在达到确定的距离h_V后直到喷射阀元件的最大打开位置、即位置h_max，只需由压电执行机构8施加一个小的执行机构力。由压电执行机构8施加的力的变化是逐渐减小的。通过参考标号33可识别出具有根据本发明推荐的方案的分级变换比的压电执行机构8的力-行程曲线。在达到距离h_V-即在图1及局部X(图1.1)中所示的第二活塞14(B)的凸缘26与预行程套筒的下端面之间的距离-前，力-行程曲线33近似线性地具有大斜率地延伸；及从达到距离h_V起也近似线性地延伸，但具有显著减小的斜率。

图4中通过F_max，h_max，0之间的三角形所张开的、单阴影线的面积表示一个无变换比的执行机构的开关能量。因为待通过执行机构施加的开关能量确定了执行机构的体积，通过根据图4的开关能量32所表征的执行机构的结构相对地大。相比之下，需要由根据图4的双阴影线面积表示的开关能量35的执行机构其结构相应地小。

                      参考标号表

1燃料喷射器                23耦合室

2喷射器体(保持体)          d_S喷射阀元件座直径

3喷嘴体                    24另外的套筒

4夹紧套筒                  25耦合室弹簧元件

5螺纹部分                  26凸缘

6高压接口                  27上靠置面

7空腔                      28下靠置面

8压电执行机构              30喷射阀元件行程曲线

9喷射阀元件(喷嘴针)        31执行机构调节力

10喷嘴室                   F_max最大打开力

11喷嘴室输入部分           32没有变换比的执行机构开关

12第一活塞(A)            能量面积

13预行程套筒               H_max最大行程

d_V预行程套筒直径           34执行机构变换比转换时刻

14第二活塞(B)            35带有变换比的执行机构开关

15控制室弹簧元件           能量面积

16内弹簧元件

17外弹簧元件

18止挡

d_A第一活塞12的直径

d_N喷射阀元件的直径

19第二活塞14的活塞端面

h_V确定的间距

20控制室

21另外的弹簧元件

22平衡孔

Claims (11)

1.用于将燃料喷射到内燃机的燃烧室中的燃料喷射器，具有一个可通过压电执行机构(8)直接操作的喷射阀元件(9)，该喷射阀元件被接收在一个喷嘴体(3)中及通过一个弹簧元件(15)被置于关闭位置中，其特征在于：在压电执行机构(8)与喷射阀元件(9)之间设有一个液压变换器装置(12，14)，用于使由压电执行机构(8)施加的力适配于喷射阀元件(9)的打开力变化曲线。

2.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：变换器装置具有一个第一活塞(12)及一个第二活塞(14)，这些活塞通过一个耦合室(23)彼此液压耦合。

3.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：变换器装置(12，14)包括一个套筒状的导向体(13)。

4.根据权利要求3的燃料喷射器，其特征在于：套筒状的导向体(13)通过一个支撑在压电执行机构(8)上的内弹簧元件(16)被预加载。

5.根据权利要求2的燃料喷射器，其特征在于：变换器装置(12，14)的一个活塞(14)通过一个设置在喷嘴体(3)的液压室中的另一弹簧元件(21)及通过一个设置在控制室(20)中的控制室弹簧元件(15)或通过设置在控制室(20)中的弹簧元件(15)及一个设置在耦合室(23)中的弹簧元件(25)被加载。

6.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：从达到喷射阀元件(9)的打开压力P_起在变换器装置(12，14)上，一个第一变换比i₁＝d_A ²/d_N ²起作用，其中d_A为第一活塞(12)的直径及d_N为喷射阀元件(9)的直径。

7.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：当变换器装置(12，14)的一个活塞(14)的一个凸缘(26)靠触在变换器装置(12，14)上的套筒状的导向体(13)上时，变换比i₂＝d_V ²/d_N ²起作用，其中d_V表示套筒状导向体(13)的直径，及d_N表示喷射阀元件(9)的直径。

8.根据权利要求3的燃料喷射器，其特征在于：套筒状导向体(13)被一个另外的套筒(24)包围。

9.根据权利要求5的燃料喷射器，其特征在于：喷嘴体(3)中的液压室与控制室(15)通过第二活塞(14)中的一个流体连接部分(23)彼此液压地连接。

10.根据权利要求9的燃料喷射器，其特征在于：该流体连接部分(23)被构造成连接孔或槽。

11.根据权利要求2的燃料喷射器，其特征在于：变换器装置(12，14)的第二活塞(14)在静止位置中或用其活塞端面(19)支撑在喷嘴体(3)的一个平面上或用一个栓直接支撑在喷射阀元件(9)上。

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