CN101305181B - 具有可变喷射压力的燃料*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于工作机械(5)的燃料喷射器(32)。该燃料喷射器具有包括至少一个开孔(84)的喷嘴部件(56)和具有尖端(86)的针阀元件(58)。所述针阀元件可沿轴向移动以通过所述尖端选择性地允许和阻止燃料流过所述至少一个开孔。所述燃料喷射器还具有与所述针阀的尖端连通的至少一个供给通路(50)和设置在所述至少一个供给通路内的可变限制装置(106)。

Description

具有可变喷射压力的燃料***
技术领域
本发明涉及一种燃料***，更具体地涉及一种具有可变喷射压力能力的燃料***。
背景技术
共轨燃料喷射器提供了一种向发动机的燃烧室引入燃料的方式。典型的共轨燃料喷射器包括在通电时打开燃料喷嘴的致动螺线管。然后，燃料作为螺线管保持通电的时间段和供给到燃料喷嘴的燃料压力的函数被喷入燃烧室。
为了使发动机性能和排气排放最优化，发动机制造商可改变供给到燃料喷嘴的燃料压力。在2004年9月2日公开的Shinogle的美国专利申请公开文件No.2004/0168673(‘673公开文件)中记载了这样的一个示例。‘673公开文件描述了这样一种燃料喷射***，该燃料喷射***具有可流体地连接到第一共轨和第二共轨的燃料喷射器。通过将燃料喷射器流体地连接到第一共轨，燃料能以第一压力进行喷射。通过将燃料喷射器流体地连接到第二共轨，燃料能以独立于所述第一压力的第二压力进行喷射。
尽管‘673公开文件的燃料喷射***能以不同的压力向发动机充分地供给燃料，但它可能较为昂贵。特别地，两个独立的流体轨道及相关的供给***增加了燃料喷射***的部件数量，这就相应地增加了燃料喷射***的复杂度和成本。
本发明的燃料***解决了上述一个或多个问题。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括具有至少一个开孔的喷嘴部件和具有尖端的针阀元件。所述针阀元件可沿轴向移动以通过所述尖端选择性地允许和阻止燃料流过所述至少一个开孔。所述燃料喷射器还包括至少一个与所述针阀的尖端连通的供给通路，和设置在所述至少一个供给通路内的可变限制装置。
本发明的另一个方面涉及一种向发动机的燃烧室喷射燃料的方法。该方法包括将加压燃料引导到喷嘴部件的至少一个开孔。该方法还包括可变化地限制流向所述喷嘴部件的加压流体的流动以改变燃料喷射的压力。
附图说明
图1是示例性公开的燃料***的示意图；
图2是用于图1的燃料***的示例性公开的燃料喷射器的示意性剖视图；
图3是示出图2的燃料喷射器的示例性工作的图示。
具体实施方式
图1示出具有发动机10和燃料***12的示例性实施例的工作机械5。工作机械5可以是执行与工业如采矿、建筑、农作、发电、运输或本领域已知的任意其它行业相关的某种操作的固定不动的或机动的机械。例如，工作机械5可具体表现为运土机械、发电机组、泵或执行任意其它适当操作的工作机械。
为了叙述本公开的内容，将发动机10示出和描述为四冲程柴油机。但是本领域技术人员应当认识到，发动机10可具体表现为任意其它类型的内燃机，例如汽油机或气体燃料动力发动机。发动机10可包括发动机组14，该发动机组限定多个气缸16、可滑动地设置在各个气缸16内的活塞18和与各个气缸16相连的气缸盖20。
气缸16、活塞18和气缸盖20可形成燃烧室22。在所示实施例中，发动机10包括六个燃烧室22。但是，可设想发动机10可包括数量更多或更少的燃烧室22，并且燃烧室22可设置成“直列”构型、“V”构型或任意其它适当的构型。
仍如图1所示，发动机10可包括可旋转地设置在发动机组14内的曲轴24。连杆26可将各个活塞18连接到曲轴24，从而活塞18在各个相应气缸16内的滑动引起曲轴24的旋转。类似地，曲轴24的旋转可引起活塞18的滑动。
燃料***12可包括协作以将加压燃料喷入各个燃烧室22的部件。具体地，燃料***12可包括构造成保持燃料供给的燃料箱28和构造成对燃料加压并将加压燃料通过共轨34导入多个燃料喷射器32的燃料泵送设备30。
燃料泵送设备30可包括一个或多个用于增大燃料压力并将一股或多股加压燃料流导向共轨34的泵送装置。在一个示例中，燃料泵送设备30包括串联设置并通过燃料管路40流体连接的低压源36和高压源38。低压源36可具体表现为构造成向高压源38提供低压进给的传输泵。高压源38可构造成接纳所述低压进给并将燃料压力增大至约30-300MPa的范围内。高压源38可通过燃料管路42连接至共轨34。可在燃料管路42内设置止回阀44以提供从燃料泵送设备30到共轨34的单向燃料流。
低压源36和高压源38中的一者或两者能可操作地连接至发动机10并由曲轴24驱动。低压源36和/或高压源38能以对本领域技术人员而言显而易见的任意方式与曲轴24可驱动地相连，其中曲轴24的旋转将引起泵驱动轴的相应旋转。例如，高压源38的泵驱动轴46在图1中示出为通过传动机构48连接至曲轴24。但是可设想，低压源36和高压源38中的一者或两者能可选地被电驱动、液压驱动、气动驱动或以任意其它适当的方式被驱动。
燃料喷射器32可设置在气缸盖20中并通过多条燃料管路50连接至共轨34。各个燃料喷射器32可操作以将一定量的加压燃料以预定的正时、燃料压力和燃料流量喷入相连的燃烧室22。燃料喷入燃烧室22的正时可与活塞18的运动同步。例如，燃料可在活塞18接近压缩冲程中的上死点位置时喷射以准备进行被喷射燃料的压缩点火燃烧。或者，燃料可在活塞18朝上死点位置行进而开始压缩冲程时喷射以用于均匀充气压缩点火操作。燃料还可在活塞18在膨胀冲程期间从上死点位置向下死点位置移动时喷射以进行延迟后喷射，从而产生用于后处理再生的还原气氛。
如图2所示，各个燃料喷射器32可具体表现为闭式喷嘴组合式燃料喷射器。具体地，每个燃料喷射器32可包括容纳引导件54、喷嘴部件56、针阀元件58的喷射器体52、第一电磁致动器60和第二电磁致动器62。
喷射器体52可以是构造成装配在气缸盖20内的大致为圆筒形的部件。喷射器体52可具有用于接纳引导件54和喷嘴部件56的中心腔64，和供喷嘴部件56的尖端68穿出的开口66。在引导件54和喷嘴部件56之间可设置密封件如O形圈(未示出)以限制燃料从燃料喷射器32泄漏。
引导件54也可以是具有构造成接纳针阀元件58的中心腔70和控制室72的大致为圆筒形的部件。中心腔70可用作压力室，用于保持通过燃料供给通路74持续供给的加压燃料。在喷射期间，来自燃料管路50的加压燃料可流动通过燃料供给通路74和中心腔70到达喷嘴部件56的尖端68。
控制室72可选择性地排出或被供给以加压燃料以控制针阀元件58的运动。具体地，一控制通路76可使与控制室72相连的端口78与第一电磁致动器60流体连接。端口78可设置在控制室72的相对于针阀元件58的轴向运动设置在径向上的侧壁内，或者设置在控制室72的轴向端部内。控制室72可经由与燃料供给通路74连通的受限供给通路80被持续供给以加压燃料。供给通路80所产生的限制可使得在控制通路76排出加压燃料时在控制室72内形成压降。
喷嘴部件56可同样具体表现为具有构造成接纳针阀元件58的中心腔82的大致为圆筒形的部件。喷嘴部件56还可包括一个或多个开孔84以允许加压燃料从中心腔82喷入发动机10的燃烧室22。
针阀元件58可以是滑动地设置在壳体引导件54和喷嘴部件56内的大致为长圆柱形的部件。针阀元件58可在第一位置和第二位置之间沿轴向移动，在所述第一位置针阀元件58的尖端86阻挡燃料流过开孔84，在所述第二位置开孔84打开以允许加压燃料流入燃烧室22。
针阀元件58在正常情况下可朝向第一位置偏置。特别地，每个燃料喷射器32可包括设置在引导件54的止动部90和针阀元件58的支承面92之间的弹簧88以沿轴向朝开孔阻挡位置偏压尖端86。在弹簧88和止动部90之间可设置第一间隔件94，在弹簧88和支承面92之间可设置第二间隔件96，以减小燃料喷射器32内的部件磨损。
针阀元件58可具有多个驱动液压表面。特别地，针阀元件58可包括在受到加压燃料作用时趋于朝第一位置或开孔阻挡位置驱动针阀元件58的液压表面98，以及趋于抵抗弹簧88的偏压并沿相反方向朝第二位置或开孔打开位置驱动针阀元件58的液压表面100。
第一电磁致动器60可相对着针阀元件58的尖端86设置以控制针阀元件58的打开运动。特别地，第一电磁致动器60可包括设置在控制室72和燃料箱28之间的双位阀元件。该阀元件可朝阻止流体从控制室72流向燃料箱28的关闭位置被弹性偏压(spring-biased)，并且被螺线管朝允许燃料从控制室72流向燃料箱28的打开位置致动。所述阀元件可响应于加在与第一电磁致动器60相连的线圈上的电流而在关闭位置和打开位置之间运动。可设想，所述阀元件能可替换地为液压操作的、机械操作的、气动操作的，或以任意其它适当的方式***作。还可设想，所述阀元件能可替换地具体表现为可运动到关闭位置和打开位置之间的任意位置的比例型阀元件。
第二电磁致动器62可包括设置在第一电磁致动器60和燃料箱28之间的双位阀元件以控制针阀元件58的关闭运动。该阀元件可朝允许燃料流向燃料箱28的打开位置被弹性偏压，并且被螺线管朝阻止流体流向燃料箱28的关闭位置致动。所述阀元件可响应于加在与第二电磁致动器62相连的线圈上的电流而在打开位置和关闭位置之间运动。可设想，所述阀元件能可替换地为液压操作的、机械操作的、气动操作的，或以任意其它适当的方式***作。还可设想，所述阀元件能可替换地具体表现为三位类型的阀元件，其中有利于加压燃料的双向流动。
仍如图2所示，压力控制装置102可与各个燃料喷射器32相连。具体地，压力控制装置102可包括致动器104、可变限制装置106和止回阀108。致动器104可通过连通链路(communication link)110机械地或液压地连接到可变限制装置106，并且通过连通链路112机械地或液压地连接到止回阀108。
致动器104可具体表现为具有一个或多个压电晶体柱的压电机构。压电晶体是具有随机电畴取向(random domain orientation)的结构。这些随机取向是呈现出永久偶极特性的正负离子的不对称排列。当电场例如通过施加电流而作用于所述晶体时，随着电畴极性对齐，压电晶体沿电场的轴线扩展。
致动器104可被连接以机械地或液压地控制可变限制装置106和止回阀108的运动。例如，当电流施加到致动器104的压电晶体上时，致动器104可经连通链路110影响可变限制装置106的运动，以减小对加压流体流向燃料喷射器32的限制。基本上同时地，致动器104可经连通链路112使止回阀108阻止在流动阻挡位置。相反，当电流从致动器104的压电晶体上移除时，致动器104可经连通链路110移动可变限制装置106，以增大对加压流体流向燃料喷射器32的限制。基本上同时地，致动器104可经连通链路112开启止回阀108。可设想，在必要时可省去致动器104的压电晶体，而以其它适当的方式控制可变限制装置106和止回阀108的运动。还可设想，可将单个致动器104和/或单个可变限制装置106与多个燃料喷射器32相连，以减少燃料***12所包括的部件数量。
可变限制装置106可设置燃料管路50或燃料供给通路74中，以限制加压燃料的流动。例如，可变限制装置106可包括能由致动器104移动的比例阀元件或其它适当的装置，以限制燃料向喷嘴部件56的中心腔82的流动。限制量可取决于加在致动器104的压电晶体上的电流。这种对加压燃料的限制可对中心腔82实现可变的燃料压力，从而导致燃料流过开孔84的可变的喷射率和进入燃烧室22的可变的贯入深度。
止回阀108可设置成用于燃料从燃料供给通路74向燃料箱28的单向流动。由于止回阀108的阻挡或开启受到致动器104的动作的影响并且与可变限制装置106的限制有关，因而只有在喷射动作(injection event)之间才允许燃料经止回阀108流到燃料箱28。这样，可在中心腔82内维持基本上恒定的基准压力。可设想，在必要时可省去止回阀108，并且可替换地包括附加的双向阀。
图3示出燃料***12的示例性工作。图3将在下面的部分中讨论以进一步叙述所公开的***及其工作。
工业适用性
本发明的燃料***可广泛用于多种发动机类型，例如包括柴油机、汽油机和气体燃料动力发动机。所公开的燃料***可在采用加压燃料***的任意发动机中实施，其中它在提供可变压力的燃料供给方面是有利的。现在对燃料***12的工作进行说明。
针阀元件58可因由燃料压力产生的力的不平衡而移动。例如，当针阀元件58处于第一位置或开孔阻挡位置时，来自燃料供给通路74的加压燃料可流入控制室72以作用在液压表面98上。同时，来自燃料进给通路74的加压燃料可流入中心腔70和82以待喷射。弹簧88的力结合在液压表面98上产生的液压力可大于在液压表面100上产生的反向力，从而使针阀元件58保持在第一位置而限制燃料流过开孔84。为了打开开孔84并将加压燃料从中心腔82喷入燃烧室22，第一电磁致动器60可移动其相关联的阀元件，以选择性地将加压燃料从控制室72和液压表面98排出。作用在液压表面98上的压力的这种减小可允许作用在液压表面100上的反向力克服弹簧88的偏压力，从而使针阀元件58朝开孔打开位置移动。
为了关闭开孔84并终止燃料向燃烧室22的喷射，可使第二电磁致动器62通电。特别地，随着与第二电磁致动器62相关联的阀元件被推向流动阻止位置，来自控制室72的流体被阻止向燃料箱28排出。由于加压流体经受限的供给通路80持续地供给到控制室72，因而当经控制通路76的排出被阻止时在控制室72中压力快速上升。控制室72中升高了的压力结合弹簧88的偏压力可克服作用在液压表面100上的反向力，以迫使针阀元件58朝关闭位置移动。可设想，在必要时可省去第二电磁致动器62，并均使用第一电磁致动器60来起动针阀元件58的打开和关闭运动。
致动器104可影响供给到中心腔70和82并喷入燃烧室22的流体的压力。具体地，响应于加在致动器104的压电晶体上的电流，致动器104可经连通链路110影响可变限制装置106的运动，以增大或减小对流入燃料喷射器32的燃料的限制。这种限制的变化可直接影响可变限制装置106上的压降以及在中心腔70和82中所产生的燃料压力。例如，加到致动器104上的电流增大会导致可变限制装置106的限制减小，并在中心腔70和82内产生更高的燃料压力。相反，加到致动器104上的电流减小会导致可变限制装置106的限制增大，并在中心腔70和82内产生更低的燃料压力。
供给到中心腔72和80并喷入燃烧室22的燃料的压力可在单个喷射循环(例如，在活塞18的四个冲程期间进行的喷射循环)的整个过程中或甚至于单个喷射动作期间改变。具体地，如图3所示，第一曲线114可表示在单个喷射循环中进行的各种喷射动作，而第二曲线116可表示在各个喷射动作期间所喷射的燃料的压力。从第一和第二曲线114、116可见，在活塞18到达上死点(TDC)之前示出为燃料以第一压力进行了两次预喷射(引燃喷射，pilot injection)，在活塞18到达TDC后不久示出为燃料以第二压力进行了三次主喷射，并且随后在活塞18的下行冲程中示出为燃料以第三压力进行了两次后喷射。如与第二曲线116相关的虚线118所示，单个喷射动作期间的压力也可通过在喷射动作期间改变可变限制装置106的限制而改变。应注意，在图3中所示的喷射动作仅仅是示例性的，可在相对于活塞18的运动的任意适当的正时进行任意次数的喷射。还可设想，由第二曲线116示出的相对压力大小可根据需要而改变。
由于燃料***12可通过改变对供给到燃料喷射器32的燃料的限制而改变所喷射燃料的压力，因而可用于喷射的不同燃料压力水平的数量可以是无限的。特别地，燃料***12不限于特定的预定压力水平。所喷射燃料的压力的这种灵活性可将燃料***12的使用扩展到各种不同的应用，以及扩展发动机10的工作范围和效率。此外，这种灵活性可在更宽范围的工作状况下符合排放标准。
此外，由于燃料***12可通过最少的附加部件改变所喷射燃料的压力，所以燃料***12的复杂度和成本低。具体地，添加致动器104、可变限制装置106和止回阀108只会向燃料***12增加很小的复杂度或成本。
本领域技术人员显然清楚，可对本发明的燃料***作出各种修改和变型而不会脱离本发明的范围。鉴于本说明书和对本文中所公开的燃料***的实践，其它实施方式对于本领域技术人员而言也是显而易见的。本说明书和示例应被认为仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (10)

1.一种燃料喷射器(32)，包括：
具有至少一个开孔(84)的喷嘴部件(56)；
具有尖端(86)的针阀元件(58)，所述针阀元件可沿轴向移动以通过所述尖端选择性地允许和阻止燃料流过所述至少一个开孔；
与所述针阀的尖端连通的至少一个供给通路(50)；
设置在所述至少一个供给通路内并可变化地限制流向所述喷嘴部件的燃料的流动以将燃料喷射的压力改变成无限多个不同的燃料压力水平的可变限制装置(106)；
设置在所述至少一个供给通路和排放装置之间的止回阀(108)；和
致动器(104)，所述致动器可操作地连接到所述可变限制装置和止回阀以机械地或液压地同时控制所述可变限制装置和止回阀的运动，并使得所述止回阀的阻挡或开启与所述可变限制装置的限制有关。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述致动器构造成改变对流过所述至少一个供给通路的燃料的限制。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述致动器包括至少一个压电元件。
4.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，
所述止回阀构造成允许流体从所述至少一个供给通路朝所述排放装置的单向流动；并且
所述致动器选择性地阻止所述止回阀在喷射动作期间打开。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其特征在于，所述致动器构造成当由所述可变限制装置产生的限制最小时开启所述止回阀。
6.一种向发动机(10)的燃烧室(22)喷射燃料的方法，该方法包括：
将加压燃料经至少一个供给通路引导至喷嘴部件(56)的至少一个开孔(84)；
可变化地限制流向所述喷嘴部件的加压燃料的流动以将燃料喷射的压力改变成无限多个不同的燃料压力水平；和
在可变化地限制流向所述喷嘴部件的加压燃料的流动的同时控制设置在所述至少一个供给通路和排放装置之间的止回阀的运动，并使得所述止回阀的阻挡或开启与所述加压燃料的流动限制有关。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，可变化地限制包括在喷射动作之间改变对加压燃料的流动的限制。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，可变化地限制包括在喷射动作期间改变对加压燃料的流动的限制。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，可变化地限制包括向至少一个压电元件施加电压。
10.一种工作机械(5)，包括：
构造成产生动力输出的发动机(10)，该发动机具有至少一个燃烧室(22)；
构造成对燃料加压的至少一个泵送元件(38)；
构造成向所述发动机的所述至少一个燃烧室喷射所述加压燃料的根据权利要求1至5中任一项所述的燃料喷射器(32)。
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