CN1690405A - 气体燃料用喷射阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不使针阀的最大提升量变大、也可确保充足的燃料喷射量的气体燃料用喷射阀。其具有针阀(10)、与针阀(10)相抵接的阀座部(30)、设置于阀座部(30)下部的孔腔部(32)、和形成于孔腔部(32)下部的喷射孔(11)，将该气体燃料用喷射阀(1)以所述喷射孔(11)面对发动机的燃烧室(N)内地安装于液压缸盖(C/H)时，所述阀座部(30)应当位于比所述液压缸盖(C/H)的下面更靠上的位置，使所述孔腔部(32)形成为预定长度以上，并且，使所述阀座部(30)的剖面积大于所述孔腔部(32)的剖面积，相对所述针阀(10)的提升量的燃料喷射量增多。

Description

气体燃料用喷射阀
技术领域
本发明涉及一种压缩天然气(CNG)等气体燃料用的燃料喷射阀，特别是涉及一种不使针阀的最大提升量变大、也可确保充足的燃料喷射量的气体燃料用喷射阀。
背景技术
作为喷射压缩天然气(CNG)、丙烷气或氢气等气体燃料的气体燃料用喷射阀，已知一种使用磁致伸缩元件而将可移动地收纳于筒内的针阀提升，以将形成于筒下端的喷射孔打开的类型(例如，参照专利文献1)。如此，通过磁致伸缩元件直接提升针阀的喷射阀具有针阀的驱动响应性良好的优点。
如图5所示，以往的气体燃料用喷射阀的针阀NV的下部形成锥状，在筒BR的下部形成用于与针阀NV的下部相抵接的环状阀座部ST。在阀座部ST的下部连续地形成有喇叭口状的孔腔部SU，在该孔腔部SU上连通、形成有喷射孔IH。
正如图中虚线所示，针阀NV位于下端位置时，即，针阀NV的提升量为零时，针阀NV的下部与筒BR的阀座部ST以预定的压力相抵接，使两者间密封。因此，不执行燃料的喷射。另外，气体燃料通常通过筒BR与针阀NV的间隙供给到阀座部ST前。
另外，如图中实线所示，通过未图示的磁致伸缩元件来提升针阀NV时，针阀NV的下部向上离开阀座部ST。由此，在针阀NV与阀座部ST间形成间隙，供给到阀座部ST前的气体燃料通过该间隙从喷射孔IH喷射。
很显然，这样的气体燃料用喷射阀需要设计成能够喷射至少发动机所要求的最大的喷射量。即，燃料喷射阀的最大喷射量(针阀NV的最大提升时的喷射量)必须设计成发动机所要求的最大喷射量以上。
气体燃料因其能量密度(每单位体积的发热能量)与轻油或汽油等液体燃料相比非常小(CNG下为1/1000左右)，与液体燃料用喷射阀相比，气体燃料用喷射阀所要求的最大燃料喷射量变多。
专利文献1：日本特表2003-512555号公报
专利文献2：日本特许第3395643号公报
(发明所要解决的技术问题)可是，在上述的气体燃料用喷射阀中，燃料的喷射量不仅依据喷射孔IH的口径及其数量，而且也由在提升的针阀NV与阀座部ST之间形成的间隙面积(隔离区域)、燃料的喷射期间、燃料的压力差(阀座部ST的上游侧与下游侧、以及喷射孔IH的上游侧与下游侧的压力差)、流路系数等决定。
即，即使喷射孔IH的口径和数量被设定成与发动机所要求的最大燃料喷射量一致，也存在着上述其他的要素不能满足用于获得最大燃料喷射量的条件的情况、不能喷射发动机所要求的最大燃料喷射量的情况。
在此，若燃料的喷射期间过长，则因热效率(燃料消耗率)的恶化或排气温度的上升等而会给予混合气的燃烧不良影响，因此需要将喷射期间设定在预定的范围内。
另外，对于燃料的压力差或流路系数(燃料喷射阀内等的燃料通路的形状)，也需要根据使用的气体燃料的特性等设定，或者由于影响到发动机侧的燃烧，而不能自由地设计。
因此，需要增加燃料喷射阀的最大燃料喷射量，加大针阀NV与阀座部ST之间的间隙面积。
为了加大上述间隙面积，考虑到加大阀座部ST的直径R，或加大针阀NV的最大提升量L。可是，以往的燃料喷射阀的阀座部ST被设置于发动机的液压缸盖C/H的下面附近，因接近进气阀或排气阀的阀部VP，因而实际上很难加大阀座部ST的直径R。特别是，近年来，因设有多个进气阀和/或排气阀的发动机增多，因而液压缸盖C/H下面的空间的制约越发严格。另外，为了加大阀座部ST的直径R，要增大形成于液压缸盖C/H下面的孔，因此，从液压缸盖C/H的耐久性、可靠性方面来看不佳。
正如上述，在以往的气体燃料用喷射阀中，为了增多最大燃料喷射量，不得不加大磁致伸缩元件所致的针阀NV的最大提升量L。
可是，为了加大针阀NV的最大提升量L，需要加大磁致伸缩元件的尺寸(上下方向的长度)，因此存在着导致气体燃料用喷射阀整体的大型化(增长)的问题。特别是，由于磁致伸缩元件驱动时相对自身全长的伸长率较小(例如0.1％)，因而为了加大最大提升量，必须将磁致伸缩元件的尺寸、进而喷射阀的尺寸大幅度地增加。
此外，由于磁致伸缩元件在构成喷射阀的部件中是较昂贵的部件，因而使该部件大型化也带来了成本上的负担。
另外，加长磁致伸缩元件时，因弯曲强度降低，也需要加大宽度方向(厚度方向)的尺寸。结果，高成本更加显著。
发明内容
为此，本发明的目的在于，解决上述的技术问题，提供一种无需加大针阀的最大提升量就可确保充分的燃料喷射量的气体燃料用喷射阀。
为了实现上述目的，本发明的气体燃料用喷射阀为，具有针阀、与针阀相抵接的阀座(シ一ト)部、设置于阀座部下部的孔腔(サツク)部、和形成于孔腔部下部的喷射孔，通过使所述针阀与所述阀座部相抵接，关闭所述喷射孔，通过使所述针阀提升以离开所述阀座部，开启所述喷射孔，其中，该气体燃料用喷射阀以所述喷射孔面对发动机的燃烧室内地安装于液压缸盖(シリンダヘツド)时，所述阀座部位于比所述液压缸盖的下面靠上方的位置，使所述孔腔部形成为预定长度以上，并且，使所述阀座部的剖面积大于所述孔腔部的剖面积，相对所述针阀的提升量的燃料喷射量增多。
在此，所述孔腔部的剖面积作为、可将发动机所要求的最大燃料喷射量在预定的喷射期间全部喷射的最小的剖面积，所述阀座部的剖面积是，在针阀的最大提升时，在所述预定的喷射期间可全部喷射所述最大燃料喷射量的最小的剖面积。
另外，所述孔腔部和阀座部的剖面积形成为圆形，将所述阀座部的剖面积的直径设定在所述孔腔部的剖面积的直径的5倍以上。
此外，设定所述孔腔部的长度，以便所述阀座部被配置在形成于所述液压缸盖上的水冷套附近。
再有，用于使所述针阀上升的驱动器可具有磁致伸缩元件或电致伸缩元件。
(发明的效果)
根据本发明，由于通过使阀座部位于比液压缸盖下面更上方的位置，会产生空间的余量，阀座部的剖面积大于孔腔部的剖面积、相对针阀的燃料喷射量的提升量增多，因而即使不加大针阀的最大提升量，也可确保充分的燃料喷射量。
附图说明
图1为本发明一实施例的气体燃料用喷射阀的剖面图。
图2(a)为图1的局部放大剖面图，(b)为沿图2(a)的IIb-IIb线的剖面图。
图3为阀座部的直径与孔腔部的直径的比率、与喷射同一喷射量所需的针阀提升量的关系的示意图。
图4为本发明另一实施例的气体燃料用喷射阀的局部放大剖面图。
图5为以往的气体燃料用喷射阀的局部放大剖面图。
具体实施方式
以下，根据附图详述本发明的一较佳实施例。
图1为本实施例的气体燃料用喷射阀的剖面图。
正如图示，本实施例的气体燃料用喷射阀1具有：可移动地收纳于较长的筒(barrel)2内的液压缸(缸室)3、可移动地收纳于该液压缸3内且将液压缸3内划分成上室5和下室6的活塞7、填充于上室5和下室6内的非压缩性粘性流体、用于使液压缸3上升(移动)的驱动器9、以及与活塞7连接的针阀10，通过在驱动器9的作用下使液压缸3上升，经由下室6内的粘性流体和活塞7，而使针阀10上升(提升)，使形成于筒2前端(下端)的喷射孔(小孔)11打开，以喷射燃料。
筒2具有：筒主体2a、通过锁紧螺母12而与筒主体2a的下端成一体安装的端部2b、以及与筒主体2a的上端螺纹配合的盖部2c。在端部2b的下端成放射状地形成多个燃料喷射孔11，在盖部2c上形成用于将燃料导入筒主体2a内的燃料导入口13。在筒主体2a与端部2b之间由密封部件27(在此为O型环)密封。后面将对端部2b的详细结构进行说明。
液压缸3被保持在筒主体2a内，并可沿长度方向(上下方向)滑动。液压缸3由有底圆筒状的液压缸主体3a、与液压缸主体3a的上端螺纹配合的液压缸盖3b构成。液压缸主体3a与液压缸盖3b之间由密封部件14(在此为O型环)密封。
活塞7被收纳在液压缸3内，并可与液压缸3的滑动方向同方向(上下方向)滑动，由该活塞7将液压缸3内的空间分成上室5和下室6这两个室。在上室5和下室6内填充有非压缩性的粘性流体(例如硅油等)。
针阀10与活塞7的下端连接，由贯通液压缸主体3a的底壁且向下延伸出的大致圆柱状的连杆10a和与连杆10a的下端成一体安装的大致圆柱状的针杆(needle)10b构成。在活塞7的上端一体形成有，贯通液压缸盖3b且向上延伸出的大径连杆15、和从大径连杆15的上端向上方延伸出的小径连杆16。在针阀10的连杆10a与液压缸主体3a之间、以及大径连杆15与液压缸盖3b之间分别由密封部件17、19(在此为O型环)密封。
在针阀10与筒主体2a之间设有驱动器9，该驱动器9具有设置于针阀10的连杆10a周边的磁致伸缩元件20、和设置于磁致伸缩元件20周边的线圈21。磁致伸缩元件20的下端通过阀座22而与筒主体2a的底壁相抵接，上端通过阀座23而与液压缸3的下面相抵接。
在液压缸3的上面和盖部2c间设有：将液压缸3向下施力并推压阀座23和磁致伸缩元件20的第一施力部件25(在此为螺旋弹簧)、以及通过大径连杆15和活塞7而将针阀10向下(闭阀方向)施力的第二施力部件26(在此，为螺旋弹簧)。这些弹簧25、26设置成由盖部2c以预定载重压缩的状态。
从盖部2c的燃料导入口13导入到筒主体2a内的燃料，通过小径连杆16与盖部2c的间隙、液压缸3与筒主体2a的间隙、针阀10与磁致伸缩元件20的间隙、针阀10与端部2b的间隙等，流入到端部2b的阀座部30。该供给燃料的压力例如为100～250Bar左右。
不对驱动器9的线圈21通电时，由弹簧26将针阀10向下方推，因而针阀10的下端部以预定压力推压端部2b的阀座部30，以关闭喷射孔11。因此，燃料没有到达喷射孔11，不进行燃料喷射。
另外，由未图示的控制器(ECU等)控制成期望的值的电力，通过端子31向线圈21供给时，线圈21产生与供给电力相对应的强度的磁场。
线圈21磁化时，磁致伸缩元件20在上下方向上仅伸长与该磁场强度相应的长度。此时，由于磁致伸缩元件20的下端通过阀座22而与筒主体2a的底壁相抵接，因而磁致伸缩元件20伸长以使液压缸3克服弹簧25的作用力并向上提升。因粘性流体为非压缩性物质，由磁致伸缩元件20使液压缸3提升时，通过下室6内的粘性流体，活塞7与针阀10成一体地上升，弹簧26弯曲。由此，针阀10的下端向上离开端部2b的阀座部30，喷射孔11打开，供给到阀座部30的高压燃料从喷射孔11成喷雾地外部(燃烧室内)喷射。
在此，用图2对本实施例的气体燃料用喷射阀1的特征点、即端部2b的结构进行说明。图2(a)为针杆10b和端部2b的放大剖面图，图2(b)为图2(a)的IIb-IIb线的剖面图。
正如图示，在针阀10(针杆10b)的下端形成有喇叭口状阀部31，在端部2b的内部上方形成有与该阀部31相抵接的喇叭口状阀座部30。在阀座部30的下部连续地形成剖面积小于阀座部30并且剖面为圆形的孔腔部32，在孔腔部32的下端连通、形成有喷射孔11。
阀座部30以比针阀10的阀部31稍缓的角度向上方外侧倾斜。阀部31与阀座部30同样，剖面为圆形，如图中虚线所示，针阀10位于下端位置时，即，针阀10的提升量为零时，阀部31的径向外侧部位以预定的压力与阀座部30的径向外侧部位相抵接，使两者间密封。
另外，如图中实线所示，由驱动器9(参照图1)使针阀10上升时，针阀10的阀部31向上离开阀座部30。由此，在阀部31与阀座部30间形成间隙，供给到阀座部30前的气体燃料通过该间隙流入孔腔部32中，以从喷射孔11喷射。此时，通过调节驱动器9引起的针阀10的上升量，就能调节在阀部31与阀座部30间形成的间隙面积(隔离区域)，能够控制燃料喷射量。此外，通过调节阀部31与阀座部30间的间隙面积，也可调节阀部31与阀座部30的间隙所致的节流功能(减压功能)，因此，通过调节针阀10的上升量，也能够控制燃料的喷射压力。
此外，如图2(b)所示，在针阀10b中的位于阀部31上侧的部分上形成有多个(在此为3个)沿周向间隔设置的直线状缺口部33，在该缺口部33与筒主体2a以及端部2b的内面之间形成燃料流路。并且，除去缺口部33的部分具有作为针阀10b与筒主体2a和端部2b的滑动导引面的功能。
再者，如图2(a)所示，端部2b的孔腔部32从阀座部30的下端向下方仅延伸出预定长度A。即，在本实施例的气体燃料用喷射阀1中，与图5所示的以往的燃料喷射阀相比，孔腔部32沿上下方向细长地形成，阀座部30与喷射孔11的间隔A被设定成大于以往的间隔。
孔腔部32的长度A被设定成，在喷射孔11面临发动机的燃烧室N内地将该气体燃料用喷射阀1安装到液压缸盖C/H上时，阀座部30位于从液压缸盖C/H的下面向上方仅多出预定距离B的位置。从液压缸盖C/H的下面到阀座部30的距离B被设定成，阀座部30位于进气阀或排气阀的阀部VP上方，并且位于与进气阀或排气阀的细径连杆RD相同高度上。此外，在本实施例中，设定上述距离B，以便阀座部30位于形成于液压缸盖C/H内的水冷套WJ附近(大致相同高度)。
如此，在本实施例的气体燃料用喷射阀1中，首先，与液压缸盖C/H的形状、结构相配合地、决定从液压缸盖C/H到阀座部30的距离B，与该距离B相配合地设定从阀座部30到喷射孔11的间隔、即孔腔部32的长度A。
喷射孔11的口径和数量根据发动机所要求的最大输出而定。具体而言，首先，由发动机所要求的最大输出，决定用于获得最大输出所需的最大燃料喷射量(考虑了各种损失成分和净产生输出成分的量)。根据该最大燃料喷射量和使用的气体燃料的比重，来决定最大燃料喷射量的体积(最大体积)。
另外，正如“发明所要解决的技术问题”栏所说明的那样，将燃料的最大喷射期间预先设定在可良好地进行发动机的燃烧的范围内。例如，曲柄角为30度左右。因此，在该最大喷射期间，为了使上述最大体积的燃料全部喷射，通过计算等确定需要成为最低限度的喷射孔的总面积，并根据该值，确定喷射孔11的个数和口径。
一旦确定了喷射孔11的个数和口径，就据此确定孔腔部32所需的最小口径(最小剖面积)。换言之，孔腔部32的直径R1(剖面积)设定成可使最大燃料喷射量(最大体积)的燃料在上述最大喷射期间全部喷射的最小的直径(剖面积)。
另外，阀座部30的直径、更详细地讲、与针阀10的阀部31相抵接的部分的阀座部30的直径R2(剖面积)被设定成，在针阀10最大上升时，上述最大燃料喷射量可在上述最大喷射期间全部喷射的最小直径(剖面积)。
在此，在上述的本实施例的气体燃料用喷射阀1中，由于阀座部30位于液压缸盖C/H的下面和进气阀或排气阀的阀部VP的上方，因而能够将阀座部30的直径R2较自由地设定。即，由于在与阀座部30相同的高度上，设有剖面积小于进气阀和排气阀的阀部VP的细径连杆RD，因而空间的余量要比液压缸盖C/H的下面侧大。另外，由于为了通过细径连杆RD，而形成于液压缸盖C/H上的孔径也较小，从而配置阀座部30的部位与液压缸盖C/H的下面侧相比，其强度也有富裕。
因此，在该气体燃料用喷射阀1中，增大相对于孔腔部32的直径R1(剖面积)的阀座部30的直径R2(剖面积)，在使针阀10上升时，能够将阀部31与阀座部30间形成的间隙面积(隔离区域)变大。由此，能够使相对针阀10的最大提升量的喷射量增多。因此，即使即使针阀10的最大上升量L与以往相等或在其以下，也可充分确保发动机所要求的最大燃料喷射量。
在此，本申请人将阀座部30的直径R2和孔腔部32的直径R1的比率进行各种变化，进行了燃料喷射量的测定。图3示出其结果。图3示出，使用本实施例的气体燃料用喷射阀1，喷射图5所示的以往的燃料喷射阀的最大燃料喷射量时，针阀10需要的上升量。另外，以往的燃料喷射阀中的针阀的最大上升量为80μm。
图中的纵轴示出阀座部30的直径R2相对孔腔部32的直径R1的比率，横轴示出针阀需要的上升量。
正如图示，在阀座部30的直径R2为孔腔部32的直径R1的约5倍时，可获得与以往的燃料喷射阀大致相等的性能。即，最大上升量若与以往的相同(80μm)，则可获得与以往相等的最大燃料喷射量。
若进一步增大阀座部30的直径R2相对孔腔部32的直径R1的比率，则用于获得与以往相同的最大燃料喷射量所需的针阀10的上升量变小。例如，如，使阀座部30的直径R2为孔腔部32的直径R1的约10倍时，即使针阀10的最大上升量为以往的一半(40μm)，也可获得与以往相同的最大燃料喷射量。
根据该结果，使最大燃料喷射量与以往相同时，若阀座部30的直径R2为孔腔部32的直径R1的5倍以上，则很显然，针阀10的最大上升量能够与以往相同或在其以下。此外，如适当地设定阀座部30的直径R2与孔腔部32的直径R1，则针阀10的最大上升量也可与以往相同或在其以下，并且可增大最大燃料喷射量。
如此，根据本实施例的气体燃料用喷射阀1，阀座部30与喷射孔11相隔间隔开形成，因而可将阀座部30设置于空间有利的部位(比液压缸盖C/H的下面稍上)，可使阀座部30的直径R2增大。因此，不会加大针阀10的上升量，可确保充分的燃料喷射量。由此，可实现磁致伸缩元件20的小型化，气体燃料用喷射阀1整体的小型化和低成本化。
另外，在本实施例的气体燃料用喷射阀1中，因阀座部30远离燃烧室N并且设置于水冷套WJ附近，因而可降低阀座部30的温度。结果，能够进一步提高阀座部30的密封性。即，在如图5所示的以往的燃料喷射阀中，有阀座部ST受到燃烧室N的热量而变形等使密封性降低的情况，但若采用本实施例的气体燃料用喷射阀1，也能够同时解决该问题。特别是，气体燃料与液体燃料相比，由于润滑性、冷却性能稍差，密封会不利，因此，这这样的密封对策是非常有效的。
另外，根据本实施例的气体燃料用喷射阀1，由于能使针阀10的上升量比以往较小，因此，可减小闭阀时阀座部30上受到的负载(载重)，提高阀座部30的耐久性和可靠性。此外，通过减小针阀10的上升量，能够降低闭阀时的振动或噪音。
此外，在本实施例的气体燃料用喷射阀1中，由于在液压缸盖C/H的下面仅设置有细径的孔腔部32，因此，在液压缸盖C/H的下面一侧可产生空间上的余量，增加了设计自由度和强度。特别是，如图4所示，若使端部2b的外径与孔腔部32的直径相配合并缩小到限度，则可增大液压缸盖C/H的下面侧的余量空间。
本发明并不限于上述实施例。
例如，阀座部30、阀部31和孔腔部32的剖面形状并不限于圆形，也可以为其他形状。
另外，驱动器9并不限于使用磁致伸缩元件20，也可使用根据供给电力而伸长的电致伸缩元件等。
此外，各密封部件14、17、19、27并不限于O型环，也可以使用其他密封部件。
再者，第一施力机构25和第二施力机构26并不限于螺旋弹簧，也可以使用碟簧等其他施力机构。

Claims (5)

1、一种气体燃料用喷射阀，具有针阀、与针阀相抵接的阀座部、设置于阀座部下部的孔腔部、和形成于孔腔部下部的喷射孔，通过使所述针阀与所述阀座部相抵接来关闭所述喷射孔，通过使所述针阀提升以离开所述阀座部来开启所述喷射孔，其特征在于，
该气体燃料用喷射阀以所述喷射孔面对发动机的燃烧室内地安装于液压缸盖时，所述阀座部位于比所述液压缸盖的下面靠上方的位置，使所述孔腔部形成为预定长度以上，并且，使所述阀座部的剖面积大于所述孔腔部的剖面积，相对所述针阀的提升量的燃料喷射量增多。
2、如权利要求1所述的气体燃料用喷射阀，其特征在于，
将所述孔腔部的剖面积作为、可将发动机所要求的最大燃料喷射量在预定的喷射期间全部喷射的最小的剖面积，
所述阀座部的剖面积是，在针阀的最大提升时，在所述预定的喷射期间可全部喷射所述最大燃料喷射量的最小的剖面积。
3、如权利要求1或2所述的气体燃料用喷射阀，其特征在于，使所述孔腔部和阀座部的剖面积形成为圆形，将所述阀座部的剖面积的直径设定在所述孔腔部的剖面积的直径的5倍以上。
4、如权利要求1～3的任一项所述的气体燃料用喷射阀，其特征在于，设定所述孔腔部的长度，以便所述阀座部被配置在形成于所述液压缸盖上的水冷套附近。
5、如权利要求1～4的任一项所述的气体燃料用喷射阀，其特征在于，用于使所述针阀上升的驱动器具有磁致伸缩元件或电致伸缩元件。
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