专利名称：具有增压燃料存储腔的燃料喷射器及操作具有该燃料喷射器的发动机的方法
技术领域：
本发明涉及燃料喷射器以及燃料喷射系统领域。
背景技术：
燃料喷射器性能，特别是柴油机中的燃料喷射器性能，对发动机的整体性能、尤其是排放性能具有重要影响。其中，特别重要的是停止喷射燃料的速度。具体地，如果仅通过减小喷射压力来停止喷射燃料，则会由于增压器式燃料喷射器中的燃料和驱动流体的压缩性而难以快速地停止喷射，这会使得雾化作用减弱，从而导致排气管中未燃烧的燃料的水平无法接受。因此，目前已经提出多种类型的直接控制针阀而不是通过控制喷射压力来进行喷射控制。此外，燃料喷射器，特别是柴油喷射器一直以来总是在增强喷射压力，目前喷射压力已能达到3000巴05，000磅/平方英寸)。柴油具有每67巴(1000磅/平方英寸)约 1 %的压缩性，因此在所述喷射压力下，柴油已经被显著压缩。在增压器式燃料喷射器中，喷射是作为增压的结果而直接发生的，因此在增压时喷射开始，而在增压结束时喷射停止。从而，增压的燃料量设置为等于所需的最大喷射量，当然还要加上针阀室(needle chamber), 通往该针阀室的通道等的一些经常性燃料占用量。当发动机为部分功率设置时，所需的燃料喷射量远小于最大喷射量，但是仍然会压缩足量的燃料，然后减压，这会损失掉用于压缩未喷射的燃料所需的能量，在发动机低功率设置或空转时，该损失的能量可能是用于增压的大量能量的大部分。在具有直接控制针阀的燃料喷射器中，以下操作略显困难进行增压，进而通过直接控制针阀进行喷射，然后再次通过直接控制针阀停止喷射，并进而减压以重新填充增压腔以便进行下一次循环。虽然该循环有点困难，但是增压能量的损失是不同的。燃料喷射器采用直接控制针阀来控制供给到该燃料喷射器的燃料以喷射压力喷射，该种燃料喷射器也是公知的。由于燃料一旦被压缩，无论发动机的功率设置如何，其迟早会全部喷射，因此这些喷射系统更富效率。这些喷射系统的优点还在于，在每次喷射动作进行时不会使得燃料压力在所述针阀室内循环，因此有助于减少但不会消除导致喷射器喷头损坏的可能性。但是，这种喷射系统具有严重的缺点。除了具有管道(rail)处于喷射压力作用下的安全性问题以及相关的检测问题之外，其对发动机也具有严重的风险，该风险在于如果喷头断裂，会形成从高压管道到所述燃烧室的直接的连续流动路径，这会造成带来灾难后果的发动机的液压卡紧。
图1是根据本发明的燃料喷射器的剖视图；图2是位于所述燃料喷射器下部的高压燃料存储腔的示意图；图3是一种可选实施方式的剖视图。
具体实施例方式在以下的描述中，术语“喷射动作”指的是一个完整的喷射动作，其可以包括辅助动作，作为一个示例，例如主喷射之前的预喷射，所述主喷射可以是单独的主喷射，或者是一系列较小的喷射。喷射动作可以在一个燃烧循环(工作冲程)结束之后的任何时刻开始， 并且将在下一个燃烧循环(工作冲程)结束之前结束。因此，在二冲程或二循环模式的发动机工作中，发动机曲轴每旋转一周(曲轴每旋转360° )的过程中将发生连续的喷射动作， 而在四冲程或四循环模式的发动机工作中，发动机曲轴每旋转两周(曲轴每旋转720° )的过程中将发生连续的喷射动作。首先参照图1，图1显示根据本发明一种实施方式的喷射器的剖面。所述喷射器包括针20，该针20通过弹簧22通常保持在关闭位置，所述弹簧22作用在元件M上，而元件M推压针20的顶部。所述喷射器为具有增压器活塞沈的增压器式喷射器，所述增压器活塞沈由低压驱动流体驱动而作用在柱塞28顶部，在喷射动作之间通过螺旋弹簧30和经由单向阀(未显示)的燃料进口压力而使得所述增压器活塞26和柱塞观返回到其未受驱动的位置。所述喷射器的顶部为一个单独的电磁驱动的三通滑阀，该电磁驱动的三通滑阀一般标示为数字32并带有复位弹簧34，当处于第一位置时，该电磁驱动的三通滑阀使得驱动流体通过开口 36与所述增压器活塞沈上方的区域连通，或者可选择地，当处于第二位置时，该电磁驱动的三通滑阀使得增压器活塞沈上方的区域与出口 38连通。所述喷射器的侧面连接有较小的第二滑阀以进行直接针阀控制，该第二滑阀一般标示为数字40。尽管根据需要可以采用其它类型的阀门，包括其它类型的滑阀，但在优选实施方式中，滑阀40为三通电磁自锁滑阀，该三通电磁自锁滑阀在工作时电磁自锁，而在接收到一个小的反向电流时由弹簧复位而解锁。在该公开的实施方式中，所述滑阀40在工作时还使得线42中的驱动流动压力与线44中的驱动流动压力连通，或者可选择地，在所述滑阀解锁时阻断线40中驱动流体的流动，并使得线44与低压出口 46连通。通过三通滑阀 40，线44中的压力可控制地对活塞48下方的区域进行增压，并进而控制驱动销M。活塞 48上方的区域与加压驱动流体源保持连通，因此在所述发动机运转时该活塞48上方的区域始终受压。对活塞48和增压器而言，尽管也可以采用其它驱动流体，例如燃料，但该驱动流体优选为发动机机油。在操作时，使得活塞48下方的区域开放，即使需要克服所述针阀室内的增压燃料压力，弹簧22和活塞48上方的驱动流体压力也会使得所述针保持关闭。当喷射即将发生时，驱动针控制阀40使得驱动流体压力与活塞48下方的区域连通，该驱动流体压力使得所述活塞保持平衡，从而允许所述针阀室内的增压燃料压力克服弹簧22的弹力而打开所述针。当然，在喷射结束时，所述针控制阀40解锁，以使得活塞48下方的区域再次开放，从而允许活塞48上方的驱动流体压力压迫所述针关闭。当然，所述针控制阀46可以操作多次，首次操作用来进行第二次喷射之前的预喷射，或者甚至用来提供脉冲喷射。其中，对于本发明而言，特别重要的是大容积存储腔50(另可参见图2的剖面图所示)、大通量开口 52以及止回阀M(止回球阀)。这与现有技术相反，现有技术由于其固定不变的增压和减压而使得上述存储腔被认为是能量浪费区域。在本发明中，增压的燃料存储是通过利用止回阀M，该止回阀M在增压器再循环时防止了增压燃料压力的减压。而作为替代方案，喷射可以通过针控制阀40进行控制。因此，所述加压驱动流体可以持续作用在增压器活塞沈上，直至该增压器开始到达其行程极限后而使得所述增压器再循环为止。 这允许经由所述增压器增压的基本所有的燃料(包括存储在存储区50和大通量开口内的燃料以及仍处于柱塞洲下方的增压器内的燃料)均可以用于喷射，典型地在多个连续的喷射动作过程中用于喷射。所述增压器仅需按照要求的准则而不是基于每次喷射动作进行再循环。用于控制喷射的电子控制系统也可以跟踪每次喷射动作喷射的燃料量，并在需要时使得所述增压器再循环。在发动机空转或低功率设置过程中，所述增压器仅需要在多次喷射动作后进行再循环。即使在最大功率设置时，优选地，提供的存储燃料量也足以供多次喷射动作喷射。这能够在所述增压器再循环过程中允许喷射有效进行，即使会伴随着喷射压力的暂时下降。在发动机从低功率设置调整到高功率设置时这是有用的，其中在所述低功率设置，具有增压压力的燃料足以供进一步的多次喷射，而所述高功率设置则需要喷射比存留在柱塞观下方的燃料更多的燃料。即使在固定功率设置时，这也能够在喷射动作过程中允许所述增压器在再循环之前接近其行程极限。根据相对容量的大小，所述增压器开始时可能需要循环多次，以充分地对所述存储区50内的燃料增压。可选择地，可以采用传感器(例如霍尔效应传感器)检测当所述增压器到达或接近其行程极限时以触发所述增压器再循环，而不论喷射发生与否，或是在喷射动作之间。作为另一个可选择的实施方式，所述增压器的排量可以小于在最大发动机功率时喷射动作过程中的燃料喷射量，而在最大功率时所述增压器则在喷射动作之间或喷射动作过程中操作多次。本发明提供了所有的优点并消除了燃料管道处于高喷射压力下的缺点。在此方面，优选地，燃料存储总量，即所述增压器加上所述开口和存储区50内的存储量，小于在喷射器喷头断裂时倾泻到所述气缸内而在发动机气缸内形成液压卡紧的燃料量。此外，所述存储量不应大到损害所述喷射器的结构整体性。当然，尽管出于设定本发明环境的目的而公开了直接针阀控制的一个典型实施方式，但是基本上任何形式的直接针阀控制均可以采用。另外，尽管止回阀M显示为球阀，但是其它形式的止回阀也可以采用。文中公开的喷射器的典型实施方式也可以采用增压器驱动流体以进行直接针阀控制。可选择地，增压燃料压力可以用于进行直接针阀控制。但是，由于在增压作用下阀门操作困难，因此这不是优选的。当然，基本上直接针阀控制的任何方法均可以用于本发明， 无论采取何种形式，由于本发明结合了直接针阀控制以及存储增压燃料的性能，因此其均能够提供了本发明的性能和效率特性。现在参照图3，从中可以看到本发明的一种可选实施方式。该实施方式的功能与上述实施方式相同，但是其具有更便利的机械布置结构。图3的实施方式包括针20、大容积存储区50以及位于针20与存储区50之间的大通量开口 52。但是，图3和图1的实施方式之间的主要区别在于所述增压器(intentsifer)和直接针阀控制的总体布置。具体地，针控
7制销56和针控制销58沿所述喷射器的轴线向上延伸到直接针阀控制活塞62，该直接针阀控制活塞62邻近于所述喷射器的顶部。在图3的实施方式中，增压器活塞沈’与针控制销58同心，并操作多个柱塞销60。 在一种实施方式中，该实施方式包括三个柱塞销，该三个柱塞销均垂直于存储腔50并通过图中未显示的开口通到所述存储区50。所述柱塞销60之间为辅助存储区64，这些辅助存储区也垂直于所述存储区50。该实施方式中的上针控制销50由相对较轻的弹簧66激发到该上针控制销56最下方的位置，弹簧66与另一个增压器活塞26’的复位弹簧68相比相对较轻。本领域公知地，柱塞销60的复位通过在柱塞销60下方形成的燃料压力来实现，所述燃料压力由压力相对较低的增压燃料源经由球阀形成，该球阀随后对增压燃料压力密封。图3的实施方式的操作如下。加压的发动机机油经由开口 70输送到小滑阀72 (如图示意性显示)和大滑阀74(也如图示意性显示)。该两个滑阀72和滑阀74优选地为三通阀。滑阀72提供直接针阀控制，当通过开口 70将所述发动机机油输送到所述活塞62的顶部时，使得针20向下压靠到针阀座上，以使得针阀座对增压燃料密封。从而，如前所述， 滑阀74可以用于将发动机机油通过开口 70输送到增压器活塞沈’的顶部，以增强燃料压力，典型地在多次喷射过程中通过针控制滑阀72的控制以保持增压操作。当增压器活塞 26’接近其行程范围的底部时，驱动滑阀74切断开口 70与增压器活塞沈’顶部之间的发动机机油通路，并且转而使得增压器活塞沈’上部的区域与出口或低压油箱连通，一般是直接或间接地使得增压器活塞26’上部的区域返回连通到发动机曲轴箱。在此过程中，当所述增压器循环以对另外的填充燃料进行增压时，优选在喷射动作之间，采用与图1的球阀M 类似的球阀使得剩余的增压燃料保持增压压力。本发明优选的操作方法是在喷射动作的整个过程中操作所述增压机构，并仅在喷射动作之间使得所述增压器再循环。其具有的优点在于在喷射动作过程中维持最大的压力和均勻的压力，并在喷射器操作过程中提供最大的雾化作用和重复一致性。因此，本发明的一个方面在于其通过在对另外的填充燃料增压之前在加压压力下使用(喷射)全部或基本全部的增压燃料，从而能够非常显著地减少现有技术增压器式燃料喷射器及其操作方法的能量损失。这允许一次单独的增压供多次喷射动作(多个燃烧循环过程中的喷射)使用，特别是在低发动机功率设置时，其中对一次喷射动作中的未使用的大量增压燃料进行降压(减压)和再增压是特别浪费增压所耗费的大量能量的。尽管出于阐述而非限制的目的在此处公开和描述了本发明特定的优选实施方式， 但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和范围的前提下，可以在形式和细节上对本发明进行多种变化。
权利要求
1.一种增压器式燃料喷射器，该增压器式燃料喷射器包括 针阀室；位于所述针阀室内的针，该针具有阻断燃料喷射的第一位置和允许燃料喷射的第二位置；增压器，该增压器具有增压器活塞和至少一个增压器柱塞，以响应增压器驱动流体压力来增加燃料压力；第一阀门，该第一阀门连接为控制所述增压器活塞上方的增压器驱动流体； 第二阀门，该第二阀门响应针驱动流体而可控制地 克服所述针阀室内的增压燃料压力而将所述针保持在所述第一位置，或响应所述针阀室内的增压燃料压力而允许所述针朝向所述第二位置移动； 至少一个增压燃料存储腔，该至少一个增压燃料存储腔与所述针阀室连通；以及止回阀，该止回阀连接为允许燃料从所述增压器柱塞流动到所述针阀室和所述至少一个增压燃料存储腔，并阻断所述燃料沿相反方向流动。
2.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述增压器柱塞的数量为一个，所述增压器活塞和所述增压器柱塞均与所述针同轴。
3.根据权利要求2所述的燃料喷射器，其中，所述第二阀门位于所述增压器的一侧。
4.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述增压器驱动流体和所述针驱动流体来自于相同的驱动流体源。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其中，所述驱动流体为发动机机油。
6.根据权利要求1所述的燃料喷射器，该燃料喷射器还包括针控制活塞，该针控制活塞具有在该针控制活塞的第一表面上的针驱动流体压力，以驱使所述针朝向所述第一针位置移动，所述第二阀门控制在所述针控制活塞的与所述第一表面相对的第二表面上的针驱动流体压力，当在所述针驱动活塞的第一表面和第二表面上的针驱动流体压力相等时，所述针阀室内的增压燃料压力使得所述针朝向所述第二位置移动。
7.根据权利要求6所述的燃料喷射器，其中，所述增压器柱塞的数量为一个，所述增压器活塞、所述增压器柱塞以及所述针控制活塞均与所述针同轴。
8.根据权利要求7所述的燃料喷射器，其中，所述针控制活塞位于所述增压器柱塞与所述针之间。
9.根据权利要求8所述的燃料喷射器，其中，所述第二阀门位于所述增压器的一侧。
10.根据权利要求9所述的燃料喷射器，其中，所述增压器驱动流体和所述针驱动流体来自于相同的驱动流体源。
11.根据权利要求1所述的燃料喷射器，该燃料喷射器还包括弹簧，该弹簧在所述增压器驱动流体和所述针驱动流体未受压时驱动所述针移动到所述第一位置。
12.根据权利要求1所述的燃料喷射器，其中，所述至少一个增压燃料存储腔包括位于所述增压器柱塞与所述针阀室之间的至少一个环形腔。
13.根据权利要求1所述的燃料喷射器，该燃料喷射器还包括多个增压器柱塞，其中，所述增压器与所述针同轴，并且所述增压器柱塞围绕所述增压器活塞和所述针的轴线布置。
14.根据权利要求13所述的燃料喷射器，该燃料喷射器还包括针控制活塞；所述第二阀门控制在所述针控制活塞的表面上的针驱动流体压力，以在针驱动流体压力作用在所述针控制活塞的所述表面上时，使得所述针移动到所述第一位置，并且在针驱动流体压力不作用在所述针控制活塞的所述表面上时，使得所述针阀室内的压力迫使所述针朝向所述第二位置。
15.根据权利要求14所述的燃料喷射器，其中，所述增压器活塞、所述针控制活塞和所述针同轴，并且所述增压器活塞位于所述针控制活塞和所述针之间。
16.根据权利要求14所述的燃料喷射器，其中，所述针控制活塞通过与所述增压器活塞同心并穿过该增压器活塞的至少一个针控制销来控制所述针。
17.根据权利要求14所述的燃料喷射器，其中，所述增压器驱动流体和所述针驱动流体来自于相同的驱动流体源。
18.在发动机中操作增压器式燃料喷射器的方法，在该发动机中，所述增压器式燃料喷射器具有响应驱动流体压力的增压器活塞和位于柱塞缸内的至少一个增压器柱塞，该至少一个增压器柱塞能够沿第一方向移动，以增强燃料压力，并且在所述驱动流体压力从所述增压器活塞上去除时所述至少一个增压器柱塞能够沿第二方向移动，以在所述柱塞沿第二方向移动时在所述柱塞缸内重新填充用于增压的燃料，所述增压器柱塞具有有限的行程， 所述方法包括使得所述燃料喷射器的针保持关闭；使用所述增压器对所述针阀室内的环绕所述针的燃料以及所述燃料喷射器中的至少一个增压燃料存储腔内的燃料进行增压；当所述柱塞缸重新充满燃料时，防止增压燃料从所述针阀室和所述至少一个增压燃料存储腔流出；以及可控制地打开所述针，以进行燃料喷射。
19.根据权利要求18所述的方法，该方法还包括a)在所述增压器活塞上保持驱动流体压力，直到所述增压器柱塞沿着所述第一方向接近该增压器柱塞的行程极限；b)然后重新填充所述柱塞缸；以及c)重复步骤a)和步骤b)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，在多次喷射动作过程中，重复进行一次步骤a) 和步骤b)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在步骤a)中，至少部分地通过保持跟踪在先喷射动作中喷射的燃料量，来检测所述增压器柱塞接近该增压器柱塞的沿所述第一方向的行程极限。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述步骤a)中，至少部分地通过检测所述增压器柱塞的位置，来检测所述增压器柱塞接近该增压器柱塞的沿所述第一方向的行程极限。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述步骤b)发生在喷射动作之间。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述步骤b)有时发生在所述喷射动作过程中， 在所述柱塞缸重新充满燃料时，通过防止增压燃料从所述针阀室和所述至少一个增压燃料存储腔流出，以及通过所述燃料的可压缩性，来保持所述针阀室内和所述至少一个增压燃料存储腔内的喷射压力。
全文摘要
具有增压燃料存储腔的燃料喷射器以及操作具有该燃料喷射器的发动机的方法。在所述增压器式燃料喷射器内的设置有至少一个存储腔(50)，当增压器柱塞缸内重新填充燃料时，通过增压器与针阀室之间的止回阀(54)以及存储腔(50)防止喷射压力损失。通过消除压缩、开放以及再压缩喷射燃料的能量浪费，这提供了非常有效的喷射器操作，特别是在低发动机负荷时更有效。本发明公开了多种喷射器设计以及在发动机中操作该喷射器的方法。
文档编号F02M59/46GK102159825SQ200980136227
公开日2011年8月17日 申请日期2009年7月15日 优先权日2008年7月15日
发明者O·E·斯德曼 申请人:斯德曼数字系统公司