专利名称：气体喷射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体喷射器，例如用于将压缩的天然气供应到内燃机中的喷射器。
背景技术：
众所周知，雾态或气态的燃料需要通过喷射器供应到内燃机中。在气缸的一个工作循环中，以平稳定量的方式供应燃料以及在设定好的精确时刻开启和关闭喷射器内的阀都是重要的。
一种用于将燃料喷射到内燃机中的喷射器包括螺线管驱动且向外开启的提升阀。燃料在压力作用下被供应到提升阀的本体内，且当相应的螺线管通电后，燃料被释放到发动机气缸内。提升阀包括诸如弹簧这样的偏置装置，以便当螺线管不通电时抵抗液压，从而将阀保持在关闭位置。
已经证明，就精确供应气态燃料而言，向外开启的提升阀具有局限性。特别是，提升阀的头部刚性连接到阀杆，接着连接到螺线管衔铁上。当阀关闭时，阀头和阀座之间出现相对较大的冲击力，这在阀内引起了共振，并且在阀头和阀座之间的密封中产生“跳跃(bounce)”现象。跳跃或振动的程度取决于几个易变的、通常不可控制的因素，例如，机械摩擦和阀磁滞现象。因此，很难精确控制和设定阀的关闭。这限制了阀的效能的有效发挥。
图1中示出了用于气体喷射器内的阀的另一种类型。图1示出了喷射器110，该喷射器具有气体入口112和气体出口114。近似球形的阀构件116在从入口112供应的气体的压力以及压缩的复位弹簧120的作用下，保持在抵靠阀座118的状态。
设置在护罩124内的推杆122位于阀构件116的下游。推杆122刚性连接到螺线管128的衔铁126上。当螺线管128通电时，推杆122作用于阀构件116，推动阀构件116离开阀座118，允许气体在入口112和出口114之间流动。这就是为大家所知的螺线管的“拉入”。阀构件116的行程由止挡件130限制。
图1所示类型的气体喷射器在使用中存在多种局限和问题。当阀开启时，喷射器内的气体流速很大程度上决定于最小流道的尺寸。在这种情况下，最小流道是介于推杆122和护罩124之间的环形空间。实践中，很难将这些零件制造得足够精确以提供精确的尺寸。此通道明显大的面容比还易于受到污垢的影响，而且，即使表面上少量的污染物堆积也会降低流速。此外，粘度对于流动的影响或大旋度使得流动取决于表面的同心度，实践中很难制造此同心度。
图1中的阀也很难精确迅速地关闭。在关闭位置，阀构件116的任一侧均存在明显的静压差，以保持该阀构件处于关闭位置。然而，在开启位置时，此静压差显著降低，因此阀几乎完全依靠复位弹簧120的作用来关闭。而弹簧的力必须抵抗衔铁126由于螺线管128内的剩磁而“粘”在作用位置的固有倾向，因此导通电流和关断电流之间存在很大的差异，其中，导通电流是开启阀所需的螺线管128内的最小电流(典型地，大约4500毫安(ma))，关断电流是将阀保持于开启位置所需的螺线管内的最小电流(典型地，大约250毫安(ma))。
图1所示类型的阀采用具有电流传感器的电驱动器。该传感器感测在螺线管的致动过程中传输的电流。电驱动器设计有峰值电流，典型地为4安培。这意味着一旦达到峰值电流，驱动器切换到“保持”电流，典型地，大约为1安培。这表明了这样的事实开启螺线管比将其保持于开启位置需要更大的电流。即使系统电压发生变化，此类电驱动器仍将继续运行，例如在发动机启动过程中。在到达峰值电流之前在致动过程中供应电流的周期被称为峰值持续时间。
此类驱动器的问题包括对螺线管的磁阻变化非常敏感以及不能对阀的压差变化进行调整。使用此驱动器也会导致在低燃料传输时相对较长的关闭延迟。
本发明致力于至少部分地克服先前气体喷射器的上述缺点。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种气体喷射器，包括阀组件以及相连的螺线管致动器；该气体喷射器具有气体入口和气体出口；该阀组件包括近似球形的阀构件，该阀构件设置为密封地抵靠阀座，以阻止气体在该气体入口和该气体出口之间流动；其中该阀组件包括第一弹性偏置装置，该第一弹性偏置装置提供作用于该阀构件的力，以迫使该阀构件与该阀座密封地接合；该致动器包括推杆，该推杆设置为克服该偏置装置提供的力，并选择性地使该阀构件脱离该阀座，从而允许气体在该气体入口和该气体出口之间流动，该气体入口和该气体出口之间的压差沿与该推杆大致相同的方向作用于该阀构件，并抵抗该偏置装置提供的力。其优点在于，对于给定尺寸的阀构件，这带来了相对很小的拉入力，且对于致动阀所需的螺线管，这带来了导通电流和关断电流之间相对很小的差。
优选地，该阀包括设置在该气体入口和该阀构件之间的计量孔。其优点在于，当阀处于开启位置时，这带来了固定的最小流道，该最小流道不受两个部件配合的影响，且具有相对较小的面容比。作为另一个优点，这还带来了经过阀的静压差，这提高了工作效率。
根据本发明的第二方面，提供了一种气体喷射器，包括阀组件以及相连的螺线管致动器；该气体喷射器具有气体入口和气体出口；该阀组件包括阀构件和阀座；其中该气体喷射器包括可密封的检测端口，该检测端口流体连接到该气体入口和该气体出口之间的压缩空间。
根据本发明的第三方面，提供了一种气体喷射器，包括阀组件以及相连的螺线管致动器；其中该螺线管致动器与电驱动器相关联，在致动过程中该电驱动器设置为在限定的峰值持续时间之后，从起始电流切换到保持电流，该峰值持续时间为供应电压的函数。
下面将参考附图通过举例详细描述本发明，其中图1是在“背景技术”标题之下所描述的现有技术中的气体喷射器的示意性剖视图；图2是根据本发明的第一实施例的气体喷射器的示意性剖视图；图3是根据本发明的第二实施例的气体喷射器的示意性剖视图；
图4是根据本发明的电驱动器中使用的第一校正函数的图解表示；以及图5是根据本发明的电驱动器中使用的第二校正函数的图解表示。
具体实施例方式
参考图2，其示出了气体喷射器10。该气体喷射器包括阀组件12和螺线管致动器14。阀组件12包括具有中心轴线18的近似圆柱形的外壳16。外壳16包括设置在第一轴向位置21的至少一个气体入口20、以及设置在第二轴向位置23的至少一个气体出口22。有利的是，外壳16可以包括多个沿圆周隔开的位于第一轴向位置21的气体入口20，以及多个沿圆周隔开的位于第二轴向位置23的气体出口22。图2所示的特定剖视图示出了一个这样的气体入口20和两个这样气体出口22。
阀座24设置在阀组件12内的第三轴向位置25上，介于第一轴向位置21和第二轴向位置23之间。阀座24大致垂直于中心轴线18。
近似球形的阀构件26设置为密封地抵靠阀座24。阀构件26设置在第二轴向位置23和第三轴向位置25之间。在本发明的优选实施例中，阀座24包括引导环28，以限制阀构件26使用中的横向移动。
阀组件12进一步包括形式为主弹簧30的弹性偏置装置。主弹簧30是螺旋压缩弹簧，具有下端32和上端34。下端32通过弹簧止挡块36保持在理想的轴向位置，上端34固定着弹簧垫38。弹簧垫38作用于阀构件26，提供对阀构件26的作用力，以迫使阀构件26与阀座24密封地配合。
阀组件12包括近似圆柱形的内壁40，其沿轴向从阀座24离开主弹簧30延伸。内壁40具有圆周，这样在外壳16和内壁40之间形成圆筒形气隙42。圆筒形气隙42流体连接到气体入口20，并且作为第一压缩空间。
内壁40限定了近似圆柱形的内部空间44。内部空间44通过计量孔46流体连接到第一压缩空间42。计量孔46呈近似圆形。可以理解的是，内部空间44内的静压由此将与第一压缩空间42大致相等。内部空间44因而作为第二压缩空间。
第二压缩空间44的下端与阀构件26相接。第二压缩空间44的上端与内壁40的径向向内延伸的部分48相接。径向向内延伸的部分48具有位于中心的孔50。
螺线管致动器14包括围绕绕线架54的线圈绕组52。绕线架54的内径与阀组件12的外壳16的内径相近似。线圈52的外侧由外壳56封闭。
主磁极58的下端在绕线架54内延伸。主磁极从其在绕线架54下方的、与内壁40的径向延伸部48相邻的下端60，延伸到绕线架54内的上端62。主磁极58沿线圈52长度的大约40％延伸。可以理解的是，主磁极可以沿线圈52长度的大约50％延伸；如果延伸超过约30％，则特别有效。在图2所示的实施例中，主磁极58提供了在第一压缩空间42的上端的外壳16和内壁40之间的密封。
主磁极58包括与中心轴线18对齐的内孔64。绕线架54的内部设置有薄且近似圆筒形的套管66，该套管具有下部，该下部设置在主磁极58的上部的外面。套管66从近似圆柱状的盖部68向下延伸，且具有下径向表面70。套管66内设置有圆筒形空间72，该圆筒形空间的上边缘与下径向表面70相接，下边缘与主磁极58的上端相邻。
套管66优选由具有高电阻率的弱铁磁材料制成。优选地，该材料在磁场强度大约为每米16千安培时测定，具有大约1.003至1.005的相对导磁率。优选地，该材料还具有大约70微欧的电阻系数。
内磁极74包括设置在紧邻绕线架54上方的环形部76，以及在绕线架内朝向主磁极58延伸的圆筒形部78。尽管可以预见20％至30％之间的范围会产生特别有利的效果，圆筒形部78可沿线圈52长度的大约25％延伸。圆筒形部78在套管66的外侧。环形部76具有下边缘，该下边缘与下径向表面70处于大致相等的轴向高度。
螺线管致动器14包括设置在圆筒形空间72内的圆筒形衔铁80。衔铁80的外径略小于套管66的内径。
在衔铁80的上边缘和下径向表面70之间存在相对较小的轴向通风空间82。
在衔铁80的下边缘和主磁极58的上端62之间存在工作气隙84。
推杆86从衔铁80向下延伸，并且刚性连接到衔铁80。推杆86延伸穿过主磁极58的内孔64，并且穿过设置在内壁40的径向延伸部48中心的孔50。推杆86在与阀构件26相邻的第二压缩空间44的下端终止。推杆86通过支承件88支撑在内孔64内。
衔铁80具有设置在其上边缘中心的凹槽90，该凹槽与设置在盖部68的下径向表面70中心的凹槽92相邻并相对应。形式为辅助压缩弹簧94的第二弹性偏置装置设置在凹槽90、92内。
主磁极58进一步包括流体通道，该流体通道介于设置在内壁40中心的孔50、依次第二压缩空间44及圆筒形空间72之间。在图2中的实施例中，流体通道包括主磁极58内的轴向通风通道96和主磁极58内邻近上端62的径向传输管道98。这样，圆筒形空间72的静压与第一压缩空间42以及第二压缩空间44内的静压大致相等。圆筒形空间72，包括通风空间82，由此作为第三压缩空间。
气体喷射器进一步包括设置在盖部68内的密封检测端口100。检测端口100包括与通风空间82流体连接的通道102，以及密封该通道102的活动盖构件104。
使用中，阀组件12可在图1所示的关闭构型和开启构型之间活动，其中，关闭构型中，阀构件26密封地抵靠阀座24；开启构型中，阀构件26脱离阀座24。
当在关闭构型中时，气体受压通过气体入口20供应到气体喷射器。气体可在第一压缩空间、第二压缩空间和第三压缩空间之间自由活动，因而这些空间中，各个空间的气压基本相同。
在关闭构型中，由主弹簧30通过弹簧垫38提供的弹力、由辅助弹簧94通过推杆86提供的弹力、以及第二压缩空间44和气体出口22之间的压差作用在阀构件上。在关闭构型中，这些力实现了平衡，使阀构件26受压抵靠在阀座24上。
当螺线管组件14的线圈52通电时，在内磁极74和主磁极58之间产生了磁场，衔铁80经过工作气隙84向主磁极58的上端62移动。螺线管组件14的几何形状，即内磁极74的圆筒形部78在套管66的外部延伸至少衔铁80的轴向长度的一半，降低了螺线管的磁阻，这意味着移动衔铁80所需的导通电流低于诸如图1的现有技术中的螺线管所需的电流。通过弱铁磁套管66提供的磁通有助于降低磁阻，并且套管66的电阻系数降低了涡电流，由此提高了螺线管的效率，并且减少了螺线管内磁场增强和减弱时的延迟。
推杆86受压抵靠阀构件26，以提供足够的向下力来克服主弹簧30的力，移动阀组件12至开启构型。可以理解的是，由推杆提供的力因气体入口20和气体出口24之间的压差而增大。
当阀组件12在开启构型时，气体可沿通道自由流动，该通道包括气体入口20、第一压缩空间42、计量孔46、第二压缩空间44、阀座24和阀构件26之间的间隙、以及气体出口22。沿此通道的最小流道是计量孔46，这样，计量孔46的精确地尺寸设置提供了对通过开启的阀的气流速度的主要控制。值得重视的是，本发明的重大优点在于计量孔46的尺寸设置不象图1中的现有技术那样取决于两个部件之间的配合。还可以理解的是，计量孔46的圆形特征提供了最适宜的面容比，降低了随时间产生的污物的影响。
本发明的计量孔的另一个优点是衔铁的行程变化不会显著影响气流的速度。
可以理解的是，阀组件12的开启将导致第二压缩空间44内压力的降低。这将进一步促使大量气体从第三压缩空间72向第二压缩空间44流动。气流遇到阀关闭时会反转。第三压缩空间72内的反转气流在通风空间82内产生了流体清洗作用，因此防止了污染物的堆积。
当线圈52断电时，主弹簧30将作用于阀构件26，以使阀构件26再次密封地抵靠阀座24。由于作用在阀构件26上游的气压略小于在关闭时获得的平衡压力，与现有技术相比，本发明的几何形状能对阀组件12产生更好的关闭作用。这种效果由于阀座24上游的计量孔的存在而得以增强。
因此，螺线管组件14的关断电流远高于图1所示的现有技术，因而允许采用更大的阀组件26。所述的本发明的优选实施例的关断电流在1250毫安(ma)级。
当阀构件26作用于阀座24的时候，推杆86脱离阀构件26，由此与现有技术中的典型的提升阀相比，大大地降低了对阀座的强大冲击，并且降低了共振和跳跃中的任何倾向。
可以理解的是，在本发明的优选实施例中，主弹簧30提供的力可以通过调节弹簧止挡块36的位置来调整。
在正常工作状态下，阀构件26和阀座24的最大间隙由工作气隙84的尺寸决定。换句话说，当衔铁80压紧主磁极58的上端62时，行程结束。任何由此产生的“粘合”力都不足以对后续施加的正关闭力造成明显的影响。这与图1中的此粘合力影响阀关闭的现有技术相反。现有技术要求以止挡件130的位置确定最大间隙。在现有技术中，阀的开启和关闭都会导致相对较大的冲击力，引起反冲、“跳跃”和共振作用。在本发明中，动能大部分由弹簧30和94吸收，降低了对硬构件的磨损。本发明的另一个优点是在阀组件12关闭时，辅助弹簧94用于精确地定位衔铁80和推杆86，这样使得衔铁80关闭时的任何过调(overshooting)能够在阀组件12的下一次开启之前得以校正。
在本发明的另一实施例中，如图3所示，止挡件106通过锁固件108固定在与主弹簧30相对的位置。止挡件106固定在这样的位置该位置使得阀构件26对止挡件106的冲击与衔铁80和主磁极58的冲击基本同步。由此降低了衔铁80和主磁极58的磨损。
在使用时，检测端口100提供对通风空间82的入口。这用于喷射器功能的测量，例如行程的测量。这还提供了供应清洁液体和/或润滑剂进入通风空间82、进而通过第三压缩空间72和第二压缩空间44、经过气体出口22的机会。
在本发明的再一方面，采用电驱动器，以便在设定的峰值持续时间之后，从可变的峰值电流切换到保持电流。切换出现的峰值持续时间是供应电压的预定校正函数，如图4所示。此外，此持续时间也可以作为其它变量的校正函数，例如在喷射器的入口和出口之间测得的压差。图5中示出了峰值持续时间的校正函数的一个例子。可以以线性方式组合各个校正函数，以确定正确的峰值持续时间。
在本发明的这一方面，通过选择峰值持续时间，以提供存储在线圈磁场内的最适宜数量的存储能量。这有利于减少阀的关闭延迟，该关闭延迟即为停止向螺线管供应电流到阀完全关闭之间的时间段。这一优点在如下情况时特别明显阀开启的时间特别短以至于当需要关闭阀时，保持电流还没有正确建立起来。
对于本领域技术人员而言显而易见的改型和变化视为落入本发明的范围。
权利要求
1.一种气体喷射器，包括阀组件以及相连的螺线管致动器；该气体喷射器具有气体入口和气体出口；该阀组件包括近似球形的阀构件，该阀构件设置为密封地抵靠阀座，以阻止气体在该气体入口和该气体出口之间流动；其特征在于该阀组件包括第一弹性偏置装置，该第一弹性偏置装置提供作用于该阀构件的力，以迫使该阀构件与该阀座密封地接合；该致动器包括推杆，该推杆设置为克服该偏置装置提供的力，并选择性地使该阀构件脱离该阀座，从而允许气体在该气体入口和该气体出口之间流动，该气体入口和该气体出口之间的压差沿与该推杆大致相同的方向作用于该阀构件，并抵抗该偏置装置提供的力。
2.如权利要求1所述的气体喷射器，其特征在于，该阀包括设置在该气体入口和该气体出口之间的计量孔。
3.如权利要求2所述的气体喷射器，其特征在于，该计量孔设置在该气体入口和该阀构件之间。
4.如权利要求2或3所述的气体喷射器，其特征在于，当该阀构件脱离该阀座时，该计量孔作为该气体入口和该气体出口之间的最小流道。
5.如权利要求4所述的气体喷射器，其特征在于，该计量孔包括该阀组件的内壁上的近似圆形的孔。
6.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该气体入口流体连接到该推杆的邻近该阀构件的部分周围的压缩空间。
7.如权利要求6所述的气体喷射器，其特征在于，该螺线管致动器包括工作气隙，该工作气隙流体连接到该压缩空间。
8.如权利要求7所述的气体喷射器，其特征在于，该螺线管致动器包括通风空间，该通风空间流体连接到该工作气隙。
9.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该螺线管致动器包括围绕绕线架的线圈绕组，该螺线管致动器包括在该绕线架内延伸的主磁极。
10.如权利要求9所述的气体喷射器，其特征在于，该主磁极沿该线圈长度的30％至50％延伸。
11.如权利要求10所述的气体喷射器，其特征在于，该主磁极沿该线圈长度的约40％延伸。
12.如权利要求9至11中任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该螺线管致动器包括与该主磁极相对的内磁极，该内磁极在该绕线架内延伸。
13.如权利要求12所述的气体喷射器，其特征在于，该内磁极沿该线圈长度的20％至30％延伸。
14.如权利要求12所述的气体喷射器，其特征在于，该内磁极沿该线圈长度的约25％延伸。
15.如权利要求12至14中任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该螺线管致动器包括大致设置在该绕线架内的套管，该主磁极具有在该套管内的部分，且该内磁极具有在该套管外的部分。
16.如权利要求15所述的气体喷射器，其特征在于，该套管由具有高电阻率的弱铁磁材料制成。
17.如权利要求15或16所述的气体喷射器，其特征在于，该螺线管致动器包括设置在该绕线架内的衔铁，该衔铁具有轴向长度，该螺线管致动器这样设置该内磁极在该套管的外部延伸至少该衔铁的轴向长度的一半。
18.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该气体喷射器包括第二弹性偏置装置，其设置为向该推杆提供的力与该第一弹性偏置装置的力相反，从而当该阀构件与该阀座密封地接合时，由该第一弹性偏置装置提供的沿一个方向的力、以及由第二弹性偏置装置和压差提供的沿第二方向的力作用在该阀构件上。
19.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该阀座包括引导环，以限制该阀构件的横向运动。
20.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该气体喷射器包括多个气体入口，所述多个气体入口在该阀组件的第一轴向位置附近沿圆周隔开。
21.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该气体喷射器包括多个气体出口，所述多个气体出口在该阀组件的第二轴向位置附近沿圆周隔开。
22.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该第一弹性偏置装置通过一弹簧止挡块保持在理想的轴向位置。
23.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该推杆设置为在该阀构件与该阀座接触的时刻脱离该阀构件。
24.如以上任一权利要求所述的气体喷射器，其特征在于，该气体喷射器包括止挡件，该止挡件固定在与该第一弹性偏置装置相对的位置，用于防止该阀构件的运动超出该螺线管致动器的工作距离。
25.一种气体喷射器，包括阀组件以及相连的螺线管致动器；该气体喷射器具有气体入口和气体出口；该阀组件包括阀构件和阀座；其特征在于该气体喷射器包括可密封的检测端口，该检测端口流体连接到该气体入口和该气体出口之间的压缩空间。
26.一种气体喷射器，包括阀组件以及相连的螺线管致动器；其特征在于该螺线管致动器与电驱动器相关联，在致动过程中该电驱动器设置为在限定的峰值持续时间之后，从起始电流切换到保持电流，该峰值持续时间为供应电压的函数。
27.如权利要求26所述的气体喷射器，其特征在于，该峰值持续时间还受其它变量的校正函数控制。
28.如权利要求27所述的气体喷射器，其特征在于，一个校正函数是气体入口和气体出口之间所测的压差的函数。
29.如权利要求27或28所述的气体喷射器，其特征在于，所述校正函数线性组合。
30.如权利要求26至30中任一所述的气体喷射器，其特征在于，选择该峰值持续时间，以提供存储在该螺线管致动器内的最适宜数量的存储能量。
全文摘要
一种气体喷射器(10)包括阀组件(12)和相连的螺线管致动器(14)。该阀组件(14)包括近似球形的阀构件(26)，该阀构件抵靠阀座(24)。该阀构件(26)通过弹簧(30)偏置在关闭位置，并且可根据由螺线管致动器(14)控制的推杆(86)的作用脱离该阀座(24)。该推杆(86)的作用方向与气体入口(20)和气体出口(22)之间的气流方向相同，因而当阀组件(12)处于关闭位置时，弹簧(30)抵抗气体压力。
文档编号F02M21/00GK101031717SQ200580032137
公开日2007年9月5日 申请日期2005年9月23日 优先权日2004年9月24日
发明者迈克尔·伦纳德·麦凯, 巴里·诺伊曼 申请人:先进发动机部件有限公司