CN1965163A - 具有可变的执行机构行程变换比的燃料喷射器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有一个操作喷射阀元件(9)的压电执行机构(8)的燃料喷射器(1)。该压电执行机构作用在喷射阀元件(9)上，该喷射阀元件通过一个弹簧元件(15)被向关闭方向加载。燃料喷射器(1)包括一个液压耦合室(13)，该液压耦合室使一个变换器活塞(10)与喷射阀元件(9)液压连接。一个套筒状的件(17)支撑在喷射阀元件(9)上，该套筒状的件与一个构成喷射阀元件(9)的一个中间行程止挡的边(18)相互作用。
Description
技术领域
在压燃式现代内燃机上现在除泵-喷嘴-燃料喷射系统外还使用共轨喷射系统(Common Rail)。在共轨喷射系统中，分别配置给内燃机的各个气缸的各个燃料喷射器由一个共轨供给燃料。这些燃料喷射器可通过电磁阀或通过压电执行机构操作。如果燃料喷射器通过压电执行机构操作，则也可实现可直接通过压电执行机构操作的喷射阀元件。
背景技术
由DE 69720145C2公开了一种喷射阀。该喷射阀包括一个阀针，该阀针通过一个位于一个弹簧室内的弹簧被压紧在一个阀座面上。该弹簧被置入在一个与阀针形成连接的弹簧支座与一个可运动的止挡之间。设有一个变窄的通流路径，燃料通过该路径能以被限制的速度或以被限制的量由弹簧室流出。该喷射阀还具有一个包括一个可运动的止挡面的阀，其中该阀在喷射阀工作期间可被这样地操作，以使得燃料能以更高的第二速度或量由弹簧室流出。该阀通过一个座面构成，该座面围绕一个与弹簧室连通的开口构成，其中可运动的止挡可与该座面形成靠触，以致可控制通过该开口的燃料流。可运动的止挡可被构成为在一个泵室内的燃料压力的作用下可运动的。
为了在具有通过执行机构可直接控制的喷射阀元件的燃料喷射器中可打开喷射阀元件，执行机构必需克服高的打开力。需要由执行机构施加的高的打开力的原因在于：喷嘴针式构成的喷射阀元件由系统压力(共轨室中的压力水准)加载地压在阀座上。用于由其阀座打开喷射阀元件所需的力通常为多个100N(牛顿)，例如为约400N。为了当喷射阀元件完全打开时通过喷射孔向一个压燃式内燃机的燃烧室供给足够的燃料流，此外需要，喷射阀元件移动多个100μm的最大行程，该行程例如在200μm与300μm之间。所述的大小，即用于打开喷射阀元件所需的多个100N的力及喷射阀元件从其完全关闭到其完全打开位置的最大行程，基本上是确定组合在燃料喷射器中的一个压电执行机构的大小的参数。虽然通过组合液压变换装置可以改变压电执行机构的长度/直径比，但执行机构的结构尺寸-也称为执行机构体积-基本上正比于待施加的打开力及可针式构成的喷射阀元件的最大行程。
本发明的概述
通过根据本发明提出的方案可通过可变的变换装置使针式构成的喷射阀元件的运动所需的力适配于一个组合在燃料喷射器中用于直接控制喷射阀元件的执行机构的力。因此执行机构体积、即其结构尺寸能以最佳方式被利用，并且组合在燃料喷射器中的执行机构可被设计得很小。此外，通过根据本发明提出的方案可作到：在通过压电执行机构操作及直接控制喷射阀元件的燃料喷射器中可稳定地产生小的喷射量，因为可变的变换装置如一个用于可针式构成的喷射阀元件的中间行程止挡地起作用。通常一个喷射阀元件的中间行程位置、即在喷射阀元件的弹道学工作位置中喷射阀元件本身不支撑在一个止挡上所必需产生的中间行程，很难被保持及极难再现。通过根据本发明提出的可变的变换装置可稳定地、即可再现地构型一个针式构成的喷射阀元件的该临界工作状态。
位于喷射阀元件的关闭位置与喷射阀元件的打开位置之间的中间行程位置的实现此外考虑这样的情况，即，即使在预喷射情况下或在小喷射量情况下出现波动即压电执行机构的控制电压有分散性时也能产生出喷射阀元件的确定行程。
附图说明
以下借助附图来详细地描述根据本发明提出的方案。
附图表示：
图1：包括可直接由压电执行机构操作的喷射阀元件、具有可变的变换器装置的一个燃料喷射器，
图2：图1中所示的、具有一个包围预行程套筒的另外的套筒的变换器装置的实施方案，
图3：具有在两端部设置调整盘的预行程套筒的一个可变的变换器装置的另一实施方案，
图4.1：压电执行机构中相对时间记录的电压曲线，
图4.2：相对时间记录的执行机构行程，
图4.3：在喷射阀元件与可变的变换器装置之间的液压耦合室中的压力曲线，
图4.4：可针式构成的喷射阀的行程曲线，及
图5：具有或不具有可变的变换器装置的燃料喷射器在开关能量、打开压力及力行程特性曲线方面相互对比的特性曲线。
具体实施方式
由图1的视图可看到一个燃料喷射器，它的针式构成的喷射阀元件通过一个组合在燃料喷射器中的压电执行机构直接地操作，对该压电执行机构配置了一个可变的变换器装置。
由该附图的视图可看到，燃料喷射器1具有一个喷射器体2及一个喷嘴体3。喷嘴体3及喷射器体2通过一个夹紧套筒4用螺纹部分5例如彼此密封地连接。
在燃料喷射器1的喷射器体2上构造有一个高压接口6，在该接口中处于系统压力下的燃料、即具有在一个共轨(Common Rail)室中存在的压力的燃料流入到喷射器体2的一个空腔7中。系统压力由PCR来指示。处于系统压力下的燃料由其中设有压电执行机构8的空腔7通过高压输入部分22流到一个高压室21中。处于系统压力PCR下的燃料由该高压室通过构造在针式构成的喷射阀元件9的圆周上的切削表面19流到一个环形缝隙20中，在该环形缝隙的燃烧室侧的端部上可构造有在图1中未示出的喷射孔、例如为一个或多个同心的孔组形式的喷射孔。
在喷射器体2与喷嘴体3之间设有一个盘12，它用于导向可变的变换器装置的活塞10。活塞10被盘12包围及被一个活塞弹簧11预加载。活塞弹簧11的一端支撑在盘12的上平面上及另一端支撑在压电执行机构8的底面上。活塞10的直径用dA来标示。
活塞10的端面伸入到一个耦合室13中。在耦合室13中接收一个例如可由螺旋弹簧构成的弹簧元件15。在耦合室13的下面，在喷嘴体3之内设有一个用参考标号17标示的预行程套筒。该预行程套筒由一个弹簧元件23压靠在可针式构成的喷射阀元件9的上部区域上的一个凸缘14上。在耦合室13中，弹簧元件15在喷射阀元件9上的凸缘14上面的一个定心栓16上被对中。例如可由螺旋弹簧构成的弹簧元件15对可针式构成的喷射阀元件9在闭合方向上加载，即，使该喷射阀元件移动至少其阀座上，该阀座用直径dS来标示。
可针式构成的喷射阀元件9的直径由dN来指示，预行程套筒17的外径由dV来指示。
由图1的视图可看到，预行程套筒17通过弹簧元件23被压靠在可针式构成的喷射阀元件9的上侧的凸缘14上。因此预行程套筒17的上端面靠触在喷射阀元件9的凸缘14上。但预行程套筒的上端面位于离盘12的下平面上的一个边18一个确定的距离hV处，在该盘中构造了耦合室13。
借助弹簧元件15将喷射阀元件9压在它的位于喷嘴体3的燃烧室侧端部上的阀座中。预行程套筒17通过高压室21内部的弹簧元件23被持续压在可针式构成的喷射阀元件9上的凸缘14上。由此给出了预行程套筒17的一个确定的原始位置，该位置由确定的距离hV指示。以下将假定：燃料喷射器1的压电执行机构8处于电压下，即，它的压电晶体在垂直方向上看已伸长。
如果压电执行机构8上的电压U下降，则活塞10由耦合室13中向外移，这归因于对活塞10加载的活塞弹簧11的作用。由此在耦合室中的压力P下降。压电执行机构8上的电压U下降愈大，耦合室中的压力P下降得愈多。从达到一个临界的打开压力P起针式构成的喷射阀元件9打开。打开压力P，1通过可针式构成的喷射阀元件9的阀座直径dS及系统压力PCR以及预行程套筒17的直径dV根据以下关系式来确定：
P，1＝PCR(dV 2-dS 2)/dV 2
在预行程套筒17的直径dV确定得相对大时，在可针式构成的喷射阀元件9上将产生一个相当高的打开压力P。由于这点，直到针式构成的喷射阀元件9打开，压电执行机构8上的电压U仅需稍微下降(也可参见图4.1至4.4及图5)。
针式构成的喷射阀元件9现在与预行程套筒17一起运动及由此以比活塞10慢的速度运动。这样形成的速度变换比通过变换比i1＝dA 2/dV 2来确定。
而由渗入可针式构成的喷射阀元件9的阀座(dS)的压力得到的打开力以相同的比例下降及作用在压电执行机构8上。
当预行程套筒17的上端面达到盘12的下平面上的止挡18时，变换比才由i1改变到i2＝dA 2/dN 2。
为了使可针式构成的喷射阀元件9进一步打开，需要在耦合室13中有一个进一步的压力下降，即，压电执行机构8上的电压U进一步下降。
从一个第二临界打开压力P，2起，喷嘴针式的喷射阀元件9以现在起作用的变换比i2打开及跟随压电执行机构8的运动。第二临界打开压力P，2主要取决于在(部分打开的)喷嘴座dS下的压力有多大及因此不可精确地给出。
如果需要向压燃式内燃机的燃烧室中仅喷射一个小的第二喷射量，针式构成的喷射阀元件9以有利的方式停留在盘12的下平面上的预行程套筒17的止挡18上，直到压电执行机构8上的电压U再上升，这将导致针式的喷射阀元件9的闭合。
由图2的视图可看到一个可变的变换器装置的另一实施方案，其中预行程套筒由另一个被一个弹簧元件预加载的套筒包围。
与图1实施方案的区别是，支撑在可针式构成的喷射阀元件9的上凸缘14上的预行程套筒17被一个另外的套筒30包围。该另外的套筒30本身则由一个预加载弹簧31预加载。预加载弹簧31被设置在该另外的套筒30的下端面与喷嘴模块3中高压室21的底部之间。借助包围预行程套筒17的该另外的套筒30可作到在装配喷射器体2及喷嘴体3时的径向装配补偿。并且在根据图2的实施方案中通过活塞10及可针式构成的喷射阀元件9的上区域可实现一个液压耦合室13，在该耦合室中接收了在闭合方向上加载针式的喷射阀元件9的弹簧15。为了能使具有系统压力PCR的、通过高压室输入部分22流入高压室21的燃料向着喷嘴体3上的燃烧室侧喷射孔的方向上排流，在可针式构成的喷射阀元件9的圆周面上设置了多个切削表面19，它们允许燃料在旁边流过。
由图3的视图可看到根据本发明提出的可变的变换器装置的另一
实施方案。
在针式构成的喷射阀元件9的上区域中设有凸缘14。在预行程套筒17的上端面与凸缘14的底面之间装入了一个第一调整盘32，而在预行程套筒17的下端面上设置了一个第二调整盘33。第二调整盘33设有一个或多个孔34，以使得在系统压力PCR下通过高压输入部分22流到高压室21中的燃料可以通过第二调整盘33。燃料由高压室21出来沿环形缝隙20向着构成在燃料喷射器1的燃烧室端部上的喷射孔的方向上流动。这些喷射孔可被构造成单个孔组或构造成多个彼此同心分布的孔组。
由图4.1，4.2，4.3，4.4的序列图上下布置地可看到压电执行机构8上的电压曲线，压电执行机构8上的行程曲线，耦合室13中的压力P的压力曲线及可针式构成的喷射阀元件9的行程曲线，每个曲线相对时间轴被记录。
在时刻t0上压电执行机构上的电压U为Umax，即压电执行机构的压电晶体被通过最大电流及因此最大地伸长。在时刻t0上执行机构行程HA为h1，耦合室压力P在时刻t0上为PCR(共轨压力)。在时刻t0上可针式构成的喷射阀元件9完全地闭合。
在时刻t1上最大电压Umax下降到一个临界值Ukrit。因此压电执行机构8的压电晶体的伸长减小了一个很小的值。活塞10移动离开预行程套筒17，以致在时刻t1上耦合室13中的压力P下降了ΔP1。因此可针式构成的喷射阀元件9开始其打开运动。在时刻t2上耦合室13中的压力P为PH，它相应于保持压力，对照PH＝P，1。
当压电执行机构8上的执行机构电压U再继续下降时，活塞10进一步由耦合室13移出，以使得直到时刻t3上在耦合室13中出现一个第二压力下降ΔP2。在时刻t3上喷射阀元件9克服了确定的距离hV，即移出了一个预行程及现在有一点打开。时刻t3标志着减速区域(Untersetzungsbereich)A的终端，在该区域中可针式构成的喷射阀元件9与预行程套筒17一起并且相对活塞10慢速地运动。在区域A中的速度变换比通过变换比i1＝dA 2/dV 2来确定。
如果确定的距离hV被克服，即，预行程套筒17的上端面靠触到盘12的下端面上的止挡18上，变换比改变到i2＝dA 2/dN 2。当执行机构电压U继续下降时变换比i1已改变到i2，由此从达到一个第二临界打开压力P，2起针式的喷射阀元件9在增速区域(Uebersetzungsbereich)中打开。在时刻t4上执行机构电压Umax下降到其最小值Umin，即压电执行机构8的压电晶体现在不再被通电流，使得执行机构的伸长值为0。根据图4.4，在时刻t4上可针式构成的喷射阀元件9处于其最大的打开位置中，即移动了最大行程hmax。在处于t4与T5之间的时间间隔期间-在该期间中执行机构电压U为其最小值Umin，最大可能量的燃料被喷射到压燃式内燃机的燃烧室中。
在时刻t5上进行执行机构的重新通电流，以使得它的压电晶体又开始伸长。因此在t5与t6之间的时间区段中在耦合室中的压力又下降并且可针式构成的喷射阀元件9从其最大打开行程hmax向着其闭合位置的方向移动直到在时刻t6上达到确定的距离hV。在时刻t6与t7之间在预行程套筒17的上表面与盘12的下平面上的止挡18之间又调节出确定距离hV，这带来了活塞10与喷射阀元件9的上端面之间的耦合室13中的压力上升ΔP2。
在时刻t7与t8之间在耦合室13中完成压力升高ΔP1，因为压电执行机构8上的执行机构电压U又上升到最大电压Umax上。
由图5的曲线图可看到，被构造得具有或不具有分级变换比的、燃料喷射器中的喷射阀元件的打开力变化曲线。
在图5的曲线图中，在可针式构成的喷射阀元件9的行程HE上画出了耦合室13中的压力P。
由一个无分级变换比地操作燃料喷射器的压电执行机构的打开力曲线40可看出，它的打开压力P，3大大低于一个借助具有分级变换比的压电执行机构工作的燃料喷射器的打开压力P，1。根据打开力曲线40，一个无分级变换比地工作的压电执行机构需要由在图5中通过三角形a-b-c给出的阴影线区域表示的开关能量。
因此，一个具有压电执行机构及分级变换比的燃料喷射器的、可针式构成的喷射阀元件9的第二打开压力P，2大大地低。因此对于该喷射阀元件也需要更小的操作力，以致这种压电执行机构8具有小的结构体积。
根据具有压电执行机构8及分级变换比的燃料喷射器的打开力曲线41，当达到确定距离hV时耦合室中的压力P下降，以便在一个压力突变后又强上升及然后在向系统压力PCR的方向上递减地落下。当达到可针式构成的喷射阀元件9的最大打开行程时耦合室13中的压力P与系统压力PCR相同。
其喷射阀元件9用压电执行机构8直接地控制的燃料喷射器的开关能量-参见图5中参考标号42及虚线区域-显著地低，以致相应的压电执行机构8可被设计得更小，而没有对具有直接控制的、可针式构成的喷射阀元件9的燃料喷射器的功能产生不利影响。
通过根据本发明提出的方案，通过可变的变换比，实现了压电执行机构8的特性的最佳利用及实现了它对一个喷射阀元件9的行程-力特性曲线的适配。因此通过中间行程止挡允许稳定的最小喷射量，该中间行程止挡通过边18(参见在边18与预行程套筒17的上端面之间给出的确定距离hV)来实现。
参考标号表
1燃料喷射器 18止挡边
2喷射器体(保持体) dN喷射阀元件直径
3喷嘴体 19切削表面
4夹紧套筒 20环形缝隙
5螺纹部分 21高压室
6高压接口 22高压输入部分
7空腔 23预行程套筒17的弹簧元件
8压电执行机构 30另外的套筒
9喷射阀元件 31另外的套筒的预加载弹簧
10活塞 32第一调整盘
11活塞弹簧 33第二调整盘
dA活塞10的直径 34用于燃料通流的孔
12盘 U执行机构电压
13耦合室 Umin最小电压
14喷射阀元件凸缘 Umax最大电压
15弹簧元件 HA执行机构行程
HV确定的距离 h1打开行程(执行机构)
16定心栓 h1关闭行程(执行机构)
17预行程套筒 P耦合室压力
dV预行程套筒直径 ΔP1第一压力降
ΔP2第二压力降 PCR系统压力(共轨压力)
P3喷射阀元件打开压力 P，1行程开始的打开压力
HE喷射阀元件行程 P，2在变换比转换后的打开压
力
A减速区域 a-b-c无分级变换比的执行机构
的开关能量
B增速区域 42带分级变换比的执行机构
的开关能量
Hmax喷射阀元件9的最大行程 hv在变换比转换前的预行程
40无变换装置的燃料喷射阀 P，3无分级变换比的打开压力
的打开力曲线 P，3＝PCR(dN 2-dS 2)/dN 2
41具有变换装置的燃料喷射
阀的打开力曲线
Claims (10)
1.具有一个直接操作喷射阀元件(9)的执行机构(8)的燃料喷射器，该执行机构作用在喷射阀元件(9)上，该喷射阀元件通过一个弹簧元件(15)被向关闭方向加载及该燃料喷射器(1)包括一个液压耦合室(13)，其特征在于：液压耦合室(13)使一个变换器活塞(10)与喷射阀元件(9)液压连接，并且一个套筒状的件(17)支撑在喷射阀元件(9)上，该套筒状的件与一个构成喷射阀元件(9)的一个中间行程位置的边(18)配合作用。
2.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：套筒状的件(17)可相对喷射阀元件(9)运动。
3.根据权利要求2的燃料喷射器，其特征在于：在移动了套筒状的件(17)与所述边(18)之间的一个确定行程hv后进行喷射阀元件(9)相对于套筒状的件(17)的相对运动。
4.根据权利要求2或3的燃料喷射器，其特征在于：在耦合室(13)的第一次压力下降ΔP1直到通过所述确定行程hv之前预行程套筒(17)与喷射阀元件(9)共同以一个第一速度比i1运动。
5.根据权利要求4的燃料喷射器，其特征在于：第一速度比i1由dA 2/dV 2来确定，其中dA表示活塞(10)的直径及dV表示预行程套筒(17)的直径。
6.根据权利要求2及3的燃料喷射器，其特征在于：当超过确定的行程hv时在耦合室(13)中第二次压力下降ΔP2时喷射阀元件(9)以一个第二速度变换比i2运动。
7.根据权利要求6的燃料喷射器，其特征在于：第二速度比i2由dA 2/dN 2来确定，其中dA表示活塞(10)的直径及dN表示喷射阀元件(9)的直径。
8.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：在一个中间位置中喷射阀元件(9)位于所述边(18)处。
9.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：耦合室(13)由活塞(13)，喷射器体(2)，预行程套筒(17)及一个另外的套筒(30)构成。
10.根据权利要求1的燃料喷射器，其特征在于：所述确定的行程hv通过一个第一调整盘(32)及一个具有孔(34)的第二调整盘(33)来限制，其中第一调整盘(32)支撑在一个凸缘(14)上及第二调整盘(33)支撑在高压室(21)上。
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