CN101298856B - 向外打开式燃料喷射器 - Google Patents

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Abstract

一种燃料喷射器，设有：包括喷嘴(3)的喷射阀(7)；活动针体(17)，用于调节通过所述喷射阀(7)的燃料流且末端设有接合所述喷射阀(7)的阀座(18)的闭锁头(27)，该闭锁头(27)布置在喷射阀(7)外部且具有预定的密封直径；致动器(6)，其用于使所述针体(7)在所述喷射阀(7)的关闭位置和打开位置之间位移；关闭弹簧(10)，其倾向于将所述针体(17)保持在所述喷射阀(7)的关闭位置，以与燃料的供给方向相反的方向将闭锁头(27)推向阀座(18)自身；以及支撑体(4)，其呈管状并具有供给通道(5)，针体(17)布置在该通道中；所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端与处于大气压下的平衡通道(28)连接。

Description

向外打开式燃料喷射器
技术领域
本发明涉及一种向外打开式燃料喷射器。
本发明有利地应用于电磁喷射器，以下将具体参考电磁喷射器进行说明，但不会因此而丧失一般性。
背景技术
电磁燃料喷射器包括具有中心供给通道的圆柱形管状容纳体，所述容纳体执行燃料管的功能并且端部与喷嘴连接，所述喷嘴由电磁致动器控制的喷射阀调节。喷射阀设置有针体，其与电磁致动器的活动衔铁刚性连接以在电磁致动器自身的偏压下在喷嘴的关闭位置和打开位置之间逆着将针体保持在关闭位置的关闭弹簧的偏压位移。针体端部与闭锁头相连，所述闭锁头在关闭位置由关闭弹簧相对于喷射阀的阀座推动以防止燃料输出。通常，闭锁头布置在燃料管内，所以为了从喷射阀的关闭位置转换至打开位置，闭锁头沿着与保持在燃料管内的燃料的供给方向相反的方向位移；这种燃料喷射器叫做向内打开式燃料喷射器。
向内打开式燃料喷射器不能确保燃料喷射方向的高精度和高稳定性，因此不适用于所谓的“喷雾引导”发动机，这种发动机采用分层燃烧，其中燃料必须在靠近火花塞处以非常高的精度喷射；实际上，这种类型的应用中，燃料喷射方向中小于一毫米的误差都可弄湿火花塞电极从而严重危及燃烧。
为了获得燃料喷射方向中的高精度和高稳定性，采用向外打开式燃料喷射器，其中，闭锁头呈截锥形，布置在燃料管的外部，由关闭弹簧相对于喷射阀自身的阀座沿着与燃料的供给方向相反的方向推动，因此沿着与燃料的供给方向相同的方向从关闭位置位移至打开位置。
为了获得燃料喷射的最佳特性，截锥形闭锁头的液压密封直径较大并且大约是3.5-4mm而不是标准球形闭锁器头部的1.3-1.5mm。发动机运转时，供给管内有高压燃料(约150-200巴)，这种燃料在大液压密封面积的作用下在闭锁头上产生相当大比例的液压打开推力；闭锁头上的这种液压打开推力必须被关闭弹簧的关闭力抵消，因此所述关闭弹簧必须具有一定尺寸以产生一定程度的弹性关闭力。因此，电磁铁也必须具有一定尺寸以能够产生高于关闭弹簧的弹性关闭力的一定程度的电磁打开力以允许启动发动机；实际上，当发动机已经启动时，关闭弹簧的弹性关闭力被加压燃料产生的液压打开推力抵消，尽管当启动发动机时(高压燃料泵由曲轴机械致动，因此在发动机启动前是静止的)加压燃料产生的液压打开推力通常是不足的。
设定关闭弹簧和电磁铁的尺寸以便分别产生高强度弹力和电磁力，这意味着高制造成本和重的重量，这种重量形成了一定程度的机械和磁性惯性，造成喷射器动态性能恶化(即致动速度的降低)；喷射器动态性能的恶化是特别不利的，因为其阻止了致动喷射器瞬时喷射并因此阻止了主喷射前的瞬时先导喷射的性能。
为了解决前述缺点，已建议用压电致动器来替代传统电磁致动器，压电致动器适于用非常短的致动时间产生非常高的压电力。然而，压电致动器目前成本很高并且难以制造。
发明内容
本发明的目的是制造一种向外打开式燃料喷射器，其没有上述缺点并且特别易于制造且成本划算。
根据本发明，制造一种燃料喷射器包括：
喷射阀，其包括喷嘴；
活动针体，其用于调节通过所述喷射阀的燃料流并且末端设有接合所述喷射阀的阀座的闭锁头，闭锁头布置在喷射阀外部并且提供预定的密封直径；
致动器，其用于使所述针体在所述喷射阀的关闭位置和打开位置之间位移；
关闭弹簧，其倾向于将所述针体保持在所述喷射阀的关闭位置，以与燃料的供给方向相反的方向将所述闭锁头推向所述阀座自身；以及
支撑体，其呈管状并具有供给通道，针体布置在该通道中；
所述喷射器的特征在于所述针体的与所述闭锁头相对的一端与处于大气压力下的平衡通道连接。
附图说明
以下将参照示出本发明的一些非限制性的实施方式的附图来说明本发明，其中：
-图1是根据本发明制造的燃料喷射器的示意性侧面剖视图，为清晰起见某些零件未示出；
-图2以放大的比例示出图1中喷射器的喷射阀；
-图3以放大的比例示出图1中喷射器的电磁致动器；以及
-图4示出图3中电磁致动器的一种变型。
具体实施方式
图1中，数字1表示整个燃料喷射器，其绕纵向轴线2基本上呈圆柱对称性并且被控制以从喷嘴3(图2中示出)喷射燃料，喷嘴3直接通向气缸的燃烧室(未示出)。喷射器1包括支撑体4，其具有沿纵向轴线2的可变截面圆柱形管状并且具有沿其整体长度延伸的供给通道5以将加压燃料供给至喷嘴3。支撑体4在其上部容纳电磁致动器6并在其下部容纳喷射阀7(图2中示出)；使用中，喷射阀7由电磁致动器6致动以调节通过喷嘴3的燃料流，所述喷嘴设置在喷射阀7自身上。
电磁致动器6包括电磁铁8，所述电磁铁8容纳在支撑体4内的固定位置上，并且，电磁铁8在通电时使铁磁性材料衔铁9逆着倾向于将活动衔铁9保持在喷射阀7的关闭位置的关闭弹簧10的偏压沿轴线2从喷射阀7的关闭位置位移至打开位置。活动衔铁9具有多个轴向通孔11(图3和4中仅示出其中一个)以允许燃料流向喷嘴3。电磁铁8进一步包括线圈12，其由电子控制单元(未示出)通过电线13供电并被内置在固定磁轭14中，所述固定磁轭14容纳在支撑体4内并具有用于允许燃料流向喷嘴3的中心孔15。
优选地，电磁铁8的固定磁轭14中容纳了两个彼此独立供电的线圈12(未详细示出)。采用“多极定子”型电磁铁8的主要优势是这种电磁铁8极快，具有很低的磁性材料质量，所以机械和磁性惯性很低。
活动衔铁9是活动装置16的一部分，所述活动装置16进一步包括闭锁器或针体17，其上部与活动衔铁9成为一体并且下部与喷射阀7的阀座18(图2中示出)协作以通过已知的方法调节通过喷嘴3的燃料流。匹配环19固定在针体17上，该环将关闭弹簧10压在支撑体4的台肩20上，从而关闭弹簧10倾向于将活动衔铁9(即针体17)保持在喷射阀7的关闭位置。匹配环19具有多个轴向通孔21用于允许燃料流向喷嘴3。
如图2所示，阀座18呈截锥形并且被限定在密封体22中，所述密封体22是一件式的并包括圆盘形压盖元件23，所述压盖元件23从下方(inferiorly)液密封地封闭支撑体4的供给通道5并与喷嘴3交接。导引元件24从压盖元件23向上延伸，该导引元件24呈管状，其中容纳了针体17以限定针体17自身的下导向，并且该导引元件24的外径小于支撑体4的供给通道5的内径，以便限定加压燃料可经其流动的外环形通道25。
根据一个不同的实施方式(未示出)，导引元件24优先地具有与支撑体4的供给通道5的内径相等的直径；在导引元件24的上部形成铣边(通常是两个或四个并且对称分布)以将燃料供给至环形通道25。
在导引元件24的下部设置了四个通孔26(图2中仅示出其中一个)，其通向阀座18以允许加压燃料流向阀座18自身。通孔26可优选地相对于纵向轴线2偏移以便不向中心轴线2自身汇聚并且在使用中使相应的燃料以旋涡方式流动；可替代地，通孔26可向纵向轴线2汇聚。如图2所示，孔26与纵向轴线2大约成60°角；根据一个不同的实施方式(未示出)，孔26与纵向轴线2成90°角。
针体17的端部为截锥形闭锁头27，所述闭锁头27适于液密封地靠在呈截锥形的阀座18上，所述阀座18的截锥形反向复制了闭锁头27自身的截锥形。重要的是要注意闭锁头27布置在导引元件24的外部并且由关闭弹簧10向导引元件24自身推动；因此，为了从喷射阀7的关闭位置转换至打开位置，闭锁头27沿纵向轴线2向下位移，即，与燃料供给方向相同的方向位移。
喷射阀7的打开位置中，闭锁头27与阀座18分开，阀座18形成燃料的通道开口，所述通道开口具有圆冠形截面并且呈截锥形；因此，经喷嘴3喷射的燃料呈内空圆锥形，该内空圆锥形的开度角基本等于闭锁头27的开度角(与阀座18的开度角准确相对应)。
如图1和3所示，喷射器1包括处于大气压力下的平衡通道28，所述平衡通道28与纵向轴线2同轴，平衡通道28始于供给通道5并止于处在大气压力下的燃料回收管。针体17的与闭锁头27相对的一端与处于大气压力下的平衡通道28联接。根据优选的实施方式，平衡通道28的内径D1等于闭锁头27的密封直径D2。
根据图1和3所示的实施方式，针体17的与闭锁头27相对的一端设置有关闭活塞29，所述关闭活塞29***平衡通道28内以沿平衡通道28自身滑动。此外，关闭活塞29的最大外径基本等于平衡通道28的内径D1(实际上稍微小一点以允许关闭活塞29沿平衡通道28滑动)。
关闭活塞29的最大直径有必要稍微小于平衡通道28的内径D1以允许关闭活塞29沿平衡通道28滑动，并且燃料不可避免地从平衡通道28的内壁和关闭活塞29的外壁之间泄漏并被回收管回收。
根据图4所示的变型，平衡通道28通过弹性隔板30与供给通道5液压隔离，针体17的与闭锁头27相对的一端靠在所述隔板上。例如，隔板30由弹性弹簧钢形成以具有高弹性变形能力。优选地，将隔板30的侧边焊接至平衡通道28的壁上，并且，将隔板30的中央焊接至针体17的与闭锁头27相对的一端。由于平衡通道28与供给通道5液压隔离，不会有燃料泄漏至平衡通道28内，因此不需要设置所述回收管。
当在供给通道5内供给加压燃料并且喷射阀7处于关闭位置时，阀座18处的加压燃料在针体17上产生第一液压推力，该推力倾向于打开喷射阀7，并且平衡通道28处的加压燃料产生第二液压推力，其倾向于将喷射阀7保持关闭。阀座18处的加压燃料产生的第一液压推力等于喷射阀7两边的压力差乘以密封面积(取决于闭锁头27的密封直径D2)；平衡通道28处的加压燃料产生的第二液压推力等于供给通道5和平衡通道28之间的压力差乘以平衡通道28的面积(取决于平衡通道28的内径D1)。由于平衡通道28的内径D1与闭锁头27的密封直径D2一致以及喷射阀7两边的压力差基本等于供给通道5和平衡通道28之间的压力差，当喷射阀7处于关闭位置时，上述液压推力彼此相对并且基本一致因此互相抵消。因此，为了将喷射阀7保持在关闭位置关闭弹簧10必须产生适度的弹力，该弹力不需要克服可估计到的液压性质的推力；因此可确定关闭弹簧10的尺寸以产生实际的弹性关闭力。类似地，也可确定电磁致动器6的尺寸以产生实际的电磁打开力。
根据图1所示的优选实施方式，设计了进一步的校准弹簧31，其沿平衡通道28布置并压缩在针体17的与闭锁头27相对的一端和设置在平衡通道28中的固定位置的管状匹配体32之间；具体地说，校准弹簧31的上端靠在匹配体32的下壁上而下端靠在关闭活塞29的突起上。校准弹簧31在针体17上施加弹力，该弹力与关闭弹簧10的弹力方向相反；在喷射器1装配的过程中，调节匹配体32的位置以便由此调节校准弹簧31产生的弹力以校准针体17上的整体弹性推力。
如图2所示，针体17的下部包括与针体17成为一体的止挡元件33，当针体17处于喷射阀7的打开位置时，在电磁铁8对针体17自身产生的推力作用下，该止挡元件33适于紧靠导引元件24的上表面以确定针体17的行程长度。预先确定活动衔铁9和固定磁轭14之间存在的气隙的轴向尺寸(即沿纵向轴线2)使其一直高于针体17的行程长度；这样，可一直保证所述行程长度由止挡元件33紧靠在导引元件24上确定而不是由活动衔铁9紧靠在固定磁轭14上确定。
从以上不难看出，活动衔铁9和固定磁轭14之间存在的气隙永远不会消除，因为活动衔铁9永远不会与固定磁轭14接触；很明显，在设计电磁铁8的步骤中，必须考虑尺寸比传统电磁喷射器大的气隙的影响。
针体17的行程长度由止挡元件33的紧靠确定的事实允许消除或减少针体17和支撑体4的热膨胀差异所引起的对针体17的行程长度起消极作用的临界值和可忽略值。这种结果是由于针体17的行程长度仅受止挡元件33相对于导引元件24的位置影响，因此针体17的行程长度仅在针体17的下部相对于导引元件24的热膨胀的可能差异的影响下发生变化。针体17的下部的整体轴向长度比针体17的上部的长度短，因此还可减少针体17下部的热膨胀；此外，针体17的下部几乎完全与导引元件24直接接触并且导引元件24被燃料彻底湿润，因此，针体17的下部和导引元件24的温度基本上相同，因而热膨胀也相同。
电磁铁8的活动衔铁9呈环形，该环形的直径小于支撑体4的供给通道5的相应位置的内径，因此活动衔铁9也不能执行针体17的上部导引功能。根据图1所示的实施方式，针体17优先被关闭活塞29导引，所述关闭活塞29以滑动方式***平衡通道28内。
使用中，当电磁铁8不通电时，活动衔铁9未被固定磁轭14吸住并且关闭弹簧10的弹力将活动衔铁9和针体17一起向上推动；这种情况下，针体17的闭锁头27被压在喷射阀7的阀座18上以防止燃料输出。当电磁铁8通电时，活动衔铁9逆着关闭弹簧10的弹力被固定磁轭14的磁力吸引，并且，活动衔铁9连同针体17一起向下位移直至止挡元件33紧靠在导引元件24上；这种情况下，活动衔铁9与固定磁轭14分离，针体17的闭锁头27相对于喷射阀7的阀座18下降，并且加压燃料可流过喷嘴3。
如前面所述，通向阀座18的四个通孔26优选地相对于纵向轴线2偏移以便不向纵向轴线2自身汇聚，并且在使用中使相应的燃料以旋涡方式流动。紧靠阀座18上游的燃料的这种旋涡方式允许燃料沿整体圆周均质地并均匀地分布，避免了形成“空洞”区域，即，燃料量较少的区域。
当针体17的闭锁头27相对于阀座18上升时，燃料经外环形通道25到达喷嘴3的腔室，然后穿过四个通孔26；换言之，当针体17的闭锁头27相对于阀座18上升时，燃料到达喷嘴3的喷射腔25，该喷射腔25围住导引元件24的整个外侧表面。这样，导引元件24被燃料不断冷却，其具有相对适度的温度；导引元件24的这种冷却效果被传递至整个密封体22(其是整体式的)，因此还被传递至形成喷嘴3的压盖元件23。换言之，在内部和外部被燃料不断湿润的导引元件24相当于散热器，用于散去从外部接收的热量和压盖元件23中的热量。
实验检验已证明压盖元件23工作温度的降低使得在相当程度上减少了压盖元件23的外表面上结垢的形成，进而减少了阀座18附近结垢的形成。由于这种减少阀座18附近形成结垢的效果，上述喷射器1具有很长的工作寿命。
上述喷射器1具有诸多优点，因为其结构简单并且制造成本划算，且具有大的密封直径D2，并且提供了高动态性能(即，针体17的高致动速度)，该高动态性能允许在主喷射前执行先导喷射。

Claims (23)

1. 一种燃料喷射器(1)，包括：
喷射阀(7)，其包括喷嘴(3)；
活动针体(17)，其用于调节通过所述喷射阀(7)的燃料流并且在末端设有与所述喷射阀(7)的阀座(18)接合的闭锁头(27)，所述闭锁头(27)布置于所述喷射阀(7)外部并且具有预定的密封直径；
致动器(6)，其用于使所述针体(7)在所述喷射阀(7)的关闭位置和打开位置之间位移；
关闭弹簧(10)，其沿着与燃料的供给方向相反的方向将所述闭锁头(27)推靠于所述阀座(18)自身，从而将所述针体(17)保持在所述喷射阀(7)的关闭位置；以及
支撑体(4)，其呈管状并具有供给通道(5)，所述针体(17)布置在所述供给通道(5)中；
其特征在于，所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端联接于处在大气压力下的平衡通道(28)。
2. 如权利要求1所述的喷射器(1)，其中所述平衡通道(28)的内径(D1)等于所述闭锁头(27)的密封直径。
3. 如权利要求1所述的喷射器(1)，其中所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端设置有关闭活塞(29)，所述关闭活塞(29)以滑动的方式至少部分***所述平衡通道(28)内以便沿所述平衡通道(28)自身滑动。
4. 如权利要求3所述的喷射器(1)，其中所述关闭活塞(29)的最大外径基本等于所述平衡通道(28)的内径(D1)。
5. 如权利要求3所述的喷射器(1)，其中所述平衡通道(28)不与所述供给通道(5)液压隔离并且在末端设有处于大气压下的燃料回收管，燃料从所述平衡通道(28)的内壁和所述关闭活塞(29)的外壁之间泄漏。
6. 如权利要求1所述的喷射器(1)，其中所述平衡通道(28)通过弹性隔板(30)与所述供给通道(5)液压隔离，所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端靠在所述弹性隔板(30)上。
7. 如权利要求6所述的喷射器(1)，其中所述隔板(30)由弹性钢形成。
8. 如权利要求6所述的喷射器(1)，其中所述隔板(30)的侧边被焊接至所述平衡通道(28)的壁上。
9. 如权利要求6所述的喷射器(1)，其中所述隔板(30)的中央被焊接至所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端上。
10. 如权利要求1所述的喷射器(1)，其中所述闭锁头(27)和所述阀座(18)均呈截锥形，并且所述阀座(18)的截锥形与所述闭锁头(27)的截锥形反向对称。
11. 如权利要求1所述的喷射器(1)，进一步包括：
密封体(22)，其中限定了所述喷射阀(7)的阀座(18)并且其从下方液密封地封闭所述供给通道(5)；以及
止挡元件(33)，其与所述针体(17)成为一体并且在所述针体(17)处于所述喷射阀(7)的打开位置时紧靠所述密封体(22)的上表面以便确定所述针体(17)的行程长度。
12. 如权利要求11所述的喷射器(1)，其中所述密封体(22)包括从下方液密封地封闭所述供给通道(5)的圆盘形压盖元件(23)、以及从所述压盖元件(23)向上延伸的导引元件(24)，所述导引元件(24)呈管状并且其中容纳所述针体(17)；当所述针体(17)处于所述喷射阀(7)的打开位置时，所述针体(17)的止挡元件(33)紧靠在所述导引元件(24)的上表面上。
13. 如权利要求12所述的喷射器(1)，其中所述导引元件(24)至少部分具有比所述供给通道(5)的内径(D1)小的外径以限定用于燃料的外通道(25)；所述导引元件(24)的下部设置多个通向所述阀座(18)的通孔(26)。
14. 如权利要求11所述的喷射器(1)，其中所述致动器(6)是电磁类型的并且包括至少一个线圈(12)、至少一个固定磁轭(14)和至少一个活动衔铁(9)，所述活动衔铁(9)逆着所述关闭弹簧(10)的力被所述固定磁轭(14)磁性吸引并且与所述针体(17)机械连接；所述活动衔铁(9)和所述固定磁轭(14)之间存在的气隙的轴向尺寸总是大于所述针体(17)的行程长度以确保所述行程长度是由所述止挡元件(33)紧靠在所述导引元件(24)上确定而不是由所述活动衔铁(9)紧靠在所述固定磁轭(14)上确定。
15. 如权利要求14所述的喷射器(1)，其中所述线圈(12)内置在所述固定磁轭(14)内。
16. 如权利要求1所述的喷射器(1)，其中所述致动器(6)是电磁类型的并且包括至少一个线圈(12)、至少一个固定磁轭(14)和至少一个活动衔铁(9)，所述活动衔铁(9)逆着所述关闭弹簧(10)的力被所述固定磁轭(14)磁性吸引并且与所述针体(17)机械连接。
17. 如权利要求16所述的喷射器(1)，其中所述线圈(12)内置在所述固定磁轭(14)内。
18. 如权利要求17所述的喷射器(1)，其中所述电磁致动器(6)是“多极定子”类型的并且所述电磁铁(8)的固定磁轭(14)中容纳了两个彼此相互独立供电的线圈(12)。
19. 如权利要求16所述的喷射器(1)，其中所述电磁铁(8)的活动衔铁(9)呈环形，其直径小于所述支撑体(4)的供给通道(5)的相应部分的内径(D1)。
20. 如权利要求1所述的喷射器(1)并且包括校准弹簧(31)，所述校准弹簧(31)压在所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端以将所述针体(17)自身逆着所述关闭弹簧(10)推向所述打开位置。
21. 如权利要求20所述的喷射器(1)，其中所述校准弹簧(31)压缩在所述针体(17)的与所述闭锁头(27)相对的一端和设置在固定位置的匹配体(32)之间。
22. 如权利要求21所述的喷射器(1)，其中所述匹配体(32)的位置在装配过程中可调以便由此调节所述校准弹簧(31)产生的弹力以校准作用在所述针体(17)上的全部弹性推力。
23. 如权利要求20所述的喷射器(1)，其中所述校准弹簧(31)布置在所述平衡通道(28)内。
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