专利名称：三通针型控制阀和使用该三通针型控制阀的双燃料喷射系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及电子控制燃料喷射器，且更具体地涉及用于双燃料喷射系统的三通控制阀。
背景技术：
已知气态燃料发动机相对于它们对应的压缩点燃发动机而言具有清洁燃烧的能力。然而，公知气态燃料难以实现成功点燃。一些气态燃料发动机利用火花塞，而其它发动机则利用少量被压缩点燃的馏出柴油燃料以转而点燃更大充量的气态燃料。在这些发动机中，气态燃料可以被供给到发动机进气歧管或者被直接计量供给到各个气缸内，气态燃料在响应于上止点附近的先导柴油喷射而被点燃前在所述气缸中与空气混合。虽然这些策略
可以由于较冷的燃烧而减少NOx，但烃排放物可能相对高并且不能控制诸如反应速率之类的燃烧特性，以适应不同的发动机工况。美国专利7，373，931教导了一种双燃料发动机，该双燃料发动机利用少量压燃的馏出柴油燃料来点燃更大充量的在点燃后喷射的气态燃料。该文献教导了使用带有嵌套式针型阀部件的燃料喷射器以有利于将气态和液态两种燃料从同一喷射器喷射到每一个发动机气缸内。换言之，该专利所有人教导了在先导量的柴油燃料已被喷射并点燃后将气态燃料直接喷射到发动机气缸中。虽然该参考文献声明此策略与前述对应的气态燃料发动机相比提供了提高的效率，但可能存在其它排放问题和功率低效，尤其是在较高的速度和负荷下。不论燃料喷射器设计成喷射一种还是两种不同燃料，在考虑给定设计的可行性和竞争力时必须权衡诸多因素。例如，这些因素有静态泄漏和喷射器响应速度。关于前者，力口压燃料在未喷射时间段的过量泄漏相当于浪费和较高的运行成本。关于后者，燃料喷射器对结束喷射、重置并且准备后续可能是紧密联接的喷射的电气指令快速响应的能力可以与燃料系统适用于给定发动机中的可行性有关。例如，如果燃料喷射器在电动致动器的电流终止与实际喷射终止之间延迟过长时间，且然后需要为随后的喷射事件重置燃料喷射器内的压力相对长的延迟，则燃料喷射器甚至不可能具备执行在给定的发动机应用中可能希望的某些喷射次序的能力。本发明针对上述问题中的一个或多个问题。
发明内容
在一方面，一种燃料喷射器包括限定燃料入口、排出出口和喷嘴出口的喷射器体部，并在喷射器体部中布置有喷嘴腔室、针型控制部件和阀腔室。喷射器体部还包括带有平座的第一堆叠构件(stack component)和带有圆锥形座的第二堆叠构件。针型控制腔室借助于包括圆锥形座的排出通路与排出出口流体连接，并经Z孔口与喷嘴腔室流体连接。针型控制腔室还经A孔口与阀腔室流体连接。喷嘴腔室通过包括贯通平座的F孔口的压力通路与阀腔室流体连接。针型控制阀包括被限制为在与圆锥形座接触和与平座接触之间移动的控制阀部件，并且包括定位成朝圆锥形座偏压控制阀部件的弹簧。电动致动器可操作地联接到针型控制阀，并具有通电构造和断电构造，在处于通电构造时，控制阀部件被推动离开圆锥形座移向平座。直接控制针型阀布置在喷射器体部中并具有定位在喷嘴腔室中的开启液力表面和定位在针型控 制腔室中的封闭液力表面。直接控制针型阀可以在封闭位置和开启位置之间移动，在所述开启位置，喷嘴出口与喷嘴腔室流体连接。在另一方面，一种双燃料系统包括带有第一燃料入口、第二燃料入口、排出出口、第一喷嘴出口组和第二喷嘴出口组的双燃料喷射器，并在该双燃料喷射器中布置有带有定位在第一针型控制腔室中的封闭液力表面的第一直接控制针型阀和带有定位在第二针型控制腔室中的封闭液力表面的第二直接控制针型阀，并且包括第一电子控制阀和第二电子控制阀。液态燃料源与第一燃料入口流体连接，并且气态燃料源与第二燃料入口流体连接。第一和第二电子控制阀每一者都包括被限制为在与圆锥形阀座接触和与平阀座接触之间移动的控制阀部件。在再另一方面，一种操作燃料喷射器的方法包括通过从非喷射构造变成第一燃料喷射构造来启动第一燃料喷射事件。通过从第一燃料喷射构造变成非喷射构造来结束第一燃料喷射事件。所述启动步骤包括通过使第一控制阀部件移动脱离与第一圆锥形座的接触以开启第一喷嘴腔室和排出出口之间的经由第一 Z孔口、第一针型控制腔室和第一 A孔口的流体连接来降低第一针型控制腔室中的压力。第一控制阀部件朝与第一平座接触移动，以封闭第一喷嘴腔室与第一针型控制腔室之间的经由第一F孔口的流体连接。所述结束步骤包括通过使第一控制阀部件从与第一平座接触移向与第一圆锥形座接触以使第一针型控制腔室经由第一 Z孔口并且平行地经由第一 F孔口与第一喷嘴腔室流体连接来提高第一针型控制腔室中的压力。
图I是根据本发明的发动机和双燃料共用轨(common rail)系统的示意图；图2是图I的双燃料系统的一部分的侧视剖面图；图3是图I的双燃料喷射器之一的剖面侧视图；图4是图3的燃料喷射器的控制阀部分的局部剖面侧视图；图5是与图4相似的控制阀部分的扩大剖面图，但是沿通过图3的燃料喷射器的不同剖面线；图6是图3的燃料喷射器的杠杆构件的局部立体图；图7是图6所示的杠杆的端视图；图8是根据本发明的一方面的燃料喷射器的底部的剖面侧视图；图9是根据本发明的另一方面的燃料喷射器的剖面侧视底部视图；以及图10是示出了当在双燃料模式和跛行回家(limp home)模式下操作时图I的双燃料系统的控制阀位置、气态和液态燃料管道压力和喷射速率与时间的关系的一系列曲线图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的发动机5采用双燃料共用轨系统10。发动机5包括限定多个气缸7的发动机壳体6，图中仅示出气缸之一。双燃料系统10包括多个双燃料喷射器12 (仅示出一个)，每一个双燃料喷射器都包括带有末端构件71的喷射器体部70，所述末端构件71定位成将气态燃料和/或液态燃料直接喷射到发动机气缸7之一内。双燃料系统10包括多个外管50和内管40，每一个管都在套筒(qui 11 )30与燃料喷射器12中的一个之间延伸到发动机壳体6内。内管50中的每一个都被压缩在相关的套筒30上的圆锥形座与燃料喷射器12之一上的圆锥形座之间。因此，每一个发动机气缸7都具有相关的燃料喷射器12、一个外管40、一个内管50和一个套筒30。双燃料系统10包括形式为气态燃料共用轨16的气态燃料源，所述气态燃料共用轨16经套筒30之一和限定在内管50与外管40之间的外通路49与各个燃料喷射器12流体连接。形式为液态燃料共用轨14的液态燃料源经套筒30之一和由内管50限定的内通路51与各个燃料喷射器12流体连接。电子控制器15与各个燃料喷射器12通信，以选择性地控制气态和液态两种燃料喷射事件的计时和数量。电子控制器15还与可操作地联接以控制气态燃料共用轨16中的压力的气体压力控制装置20通信，而且还与可操作地联接以控制液态燃料共用轨14中的 压力的液体压力控制装置22通信。虽然单独的气体如甲烷、丙烷等在本发明的范围内，但包含多种气体的混合物的天然气特别适用于本发明。此外，为在发动机5的压缩比进行压缩点燃的能力选择液态燃料。例如，液态燃料可以是馏出柴油燃料或适合于压缩点燃以转而点燃发动机气缸7之一中的一定充量的气态燃料的某种其它液态燃料。因此，在发动机5的正常运转期间，在发动机循环中的压缩冲程期间有时在单独的气缸中将出现自动点燃条件，所述发动机循环包括膨胀冲程、排气冲程和进气冲程。虽然发动机气缸中可以存在用于液态燃料的压缩点燃条件，但压力和温度通常不够高以自动点燃气态燃料。在所示实施例中，天然气在低温液化天然气罐21中维持液态。可变排量低温泵由电子控制器15控制以泵送液化天然气通过过滤器和热交换器，以膨胀成保持在蓄能器中的气体。根据本发明的气体压力控制装置20可以包括电子控制阀，所述电子控制阀将受控量的气态燃料从供给侧(蓄能器)供给到气态燃料共用轨16。当发动机5安装在诸如矿用卡车等运动机器上时，上述这种天然气供给策略特别适合。另一方面，如果发动机5是固定的，则气体压力控制装置可以连接到可用天然气的来源，然后以由电子控制器15控制以维持管道16中的期望压力的方式被压缩并供给到气态燃料共用轨16。向液态燃料共用轨14的液态燃料供给开始于罐23。在所示实施例中，液态燃料压力控制装置22包括一种本领域中公知的高压共用轨燃料泵，其输出可以由电子控制器15控制，以维持液体共用轨14中的一定期望压力。另一个替代选择可以包括固定排量泵和使一定量燃料返回罐23以便控制液态燃料共用轨14中的压力的管道压力控制阀。任何这些替代策略都落入本发明的预期范围内。在发动机5用于运动机器的情况下，本发明设想具有比馏出柴油燃料罐23大的容量的液化天然气罐21 (容积可以大65%)，以便解决当在标准双燃料构造中操作时两个罐的预期消耗比率，在所述标准双燃料构造中，输送到发动机5的燃料可能超过90%的形式是天然气且小于10%的形式是馏出柴油燃料，以质量计。罐21和23的这种大小差异还解决了相应的液体的密度以及两种燃料的不同热值，并且解决了天然气作为液体存储但作为气体喷射的事实，而馏出柴油燃料作为液体被存储并喷射到发动机5中。当在与标准操作对应的双燃料模式下操作时，电子控制器15配置成将气态燃料共用轨维持在中低压并将液态燃料共用轨14维持在中高压。如果发动机5在跛行回家燃料模式或单燃料模式下运转，则电子控制器15可以配置成将气态燃料共用轨16维持在低压(可以是大气压)并将液体共用轨14维持在高压。为了清楚，所认定的高压大于中高压，所述中高压大于中低压，所述中低压大于低压。参照图2，双燃料共用轨系统10包括使每个燃料喷射器12都分别与液体共用轨14和气体共用轨16流体连接的共轴套筒组件118。虽然本发明的概念可以适用于用于不同类型发动机的各种燃料，但所示实施例特别适合于利用用于压缩点燃的馏出柴油燃料的气态燃料发动机。换言之，与双燃料共用轨系统10相关的发动机可以主要燃烧从第二共用轨16供给的液化天然气，并且通过在一个发动机循环中的燃烧事件期间压缩点燃来自共用轨14的较小充量的馏出柴油燃料来点燃发动机燃烧空间中的充量 。共轴套筒组件118包括至少部分地定位在缸套(block) 120中的套筒30。该套筒包括在与第一共用轨14流体连接的第一燃料入口 33和第一燃料出口 34之间延伸的第一燃料通路32。套筒30还限定在与第二共用轨16流体连接的第二燃料入口 36和第二燃料出口 37之间延伸的第二燃料通路35。利用已知的硬件(例如配件)和技术来使套筒30与管道14和16流体连接。来自第一共用轨14的燃料经内管50经由内通路51移动通过发动机壳体6 (发动机缸盖)，而来自第二共用轨16的燃料在限定在内管50与外管40之间的外通路49中移动到燃料喷射器12。内管50可以属于本领域的技术人员熟悉的结构，因为内管50包括被压缩在套筒30的圆锥形座38与燃料喷射器12的内圆锥形座55之间的圆形或圆锥形端部。因此，内管50内的流体通路51在套筒30的第一燃料出口 34与燃料喷射器12的内燃料入口 57之间延伸。可以不与内管50接触的外管40具有大于内管50的外径的内径，以便限定在一个端部向套筒30的第二燃料出口 37开口且在另一个端部向燃料喷射器12的外燃料入口 48开口的长形外通路49。外管40包括被压缩成与燃料喷射器12的外圆锥形座46密封接触的圆形或圆锥形端部。外燃料入口 48在管40的内径与内管50的外表面之间开口。因此，燃料喷射器12限定同心地包围内圆锥形座55的外圆锥形座46。此外，燃料喷射器12包括由内圆锥形座55包围的内燃料入口 57，和定位在内圆锥形座57与外圆锥形座46之间的外燃料入口 48。外管40被压缩在套筒30与燃料喷射器12之间。具体地，外管40包括与外圆锥形座46密封接触的圆形或圆锥形端部和被接纳在由套筒30限定的孔中的相对端部。外管
40的一个端部41经由定位在外管40与套筒30之间的空间45中的O形环80密封。O形环80由衬环86克服来自第二共用轨16的压力保持就位，所述衬环86由螺接到套筒30的罩帽87保持就位。外管40通过由包括与负载台肩42接触的接触面64的压缩负载调节器
60施加在负载台肩42上的轴向力压缩在燃料喷射器12的外座46上。压缩负载调节器60包括与由缸套120的基部121限定的一组内螺纹匹配的外螺纹65并且包括位于缸套120的中空内部124中的工具接合面62，以有利于调节外管40上的压缩负载。因此，通过使用压缩负载调节器60将外管40上的压缩负载设定为高于预定阈值以有利于在外圆锥形座46处的密封并通过使用O形环80密封另一个端部来抑制第二燃料从共用轨16泄漏到大气。包括与由缸套120的基部121限定的内螺纹匹配的螺纹68的分开的负载调节器66有利于在内管50的相对端部处的密封。负载调节器66包括位于缸套20外侧的工具接合面67，该工具接合面67有利于压缩负载调节器66沿公共中心线54移动。换言之，压缩负载调节器70抵靠在套筒30上沿公共中心线54推动，以将内管50压缩在套筒30的圆锥形座38与燃料喷射器12的圆锥形座55之间。由于外管40的一个端部41可以在套筒30内滑动，所以可以独立地调节内管50和外管40上的相应的压缩负载，以更好地确保在所有圆锥形座38、55和46处的适当密封。因此，通过使用压缩负载调节器66将内管50上的压缩负载设定为高于预定阈值来抑制源自共用轨14的第一燃料泄漏到第二燃料中。此外，来自共用轨16的第二燃料泄漏到来自共用轨14的第一燃料中可以包括将共用轨14中的压力设成高于共用轨16中的压力。外管40、内管50、压缩负载调节器60、压缩负载调节器66、圆锥形座38、内圆锥形座55和外圆锥形座46全部共用公共中心线54。除关于附图所述的密封策略以外的用于内管50和外管40中的一者或两者的其它密封策略落入本发明的预期范围内。内燃料入口 51由圆锥形座55和46包围，而外燃料入口 48处于圆锥形座55和46之间。如图所示，套筒30可以至少部分地定位在缸套120内，所述缸套120包括基部121和可以通过多个紧固件126附装到基部121上的罩盖122。基部121可以包括有利于经由 螺栓128将缸套120附装到发动机缸盖(壳体6)上的凸缘。如图中所示，套筒30的第一燃料入口 33和第二燃料入口 36可以位于缸套120外侧。可以包括垫片127，以调节圆锥形座38与圆锥形座57之间的距离，从而补偿燃料系统和发动机构件中的几何公差。试图经O形环80泄漏到缸套120的中空内部124中的任何第二燃料可以经由通气开口 123向大气排出。因此，在共用轨16中的燃料不是处于大气压的气体的情况下可以免去通气开口 123。除通气开口 123外，中空内部24可以经由与套筒30和缸套120接触的O形环81基本上封闭，并包围第一燃料通路32。此外，第二 O形环82可以与套筒30和缸套120接触，并包围第二燃料通路35。因此，通气开口 123在缸套120的中空内部和暴露于大气的外表面125之间延伸。共轴套筒组件118还可以包括凸缘83、套环85和螺栓84，以有利于套筒30与共用轨14之间的密封流体连接。虽然共轴套筒组件118被示出为包括分开的缸套120和套筒30，但本领域的技术人员应了解，这两个构件的功能和结构可以合并为单个构件而不脱离本发明。现参照图3-9，每一个燃料喷射器12都包括可以视为针型控制阀的两个电子控制阀117、119，所述针型控制阀经由与电子控制器15通信的双螺线管致动器100被个别地致动。具体地，电子控制阀117包括可操作地联接到控制阀部件153的电动致动器43，而阀119包括可操作地连接到控制阀部件154的电动致动器44。在所示实施例中，双控制阀117和119是经由与低压排出出口 77的连接和分离来提升和降低各自的针型控制腔室95、92中的压力的三通阀。如图I所示，排出出口 77经由排出回流管线24与罐23流体连接。虽然不是必要的，但每一个燃料喷射器12都可以包括仅一个排出出口 77。因此，本领域的技术人员将认识到，以本领域众所周知的方式使用液态燃料作为液力介质来执行燃料喷射器12的所有控制功能。图8和图9示出了燃料喷射器12的底部的两种不同形式。图8示出了燃料喷射器具有同心的气体喷嘴出口组90a和液态燃料喷嘴出口组96a的形式，而图9示出了气体喷嘴出口 90b与液态燃料喷嘴出口组96b并排布置的构造。在图9的实施例中，液体针型阀部件78b沿中心线79b移动，而气体针型阀部件73b沿中心线89b移动，所述中心线89b与中心线79b平行但偏离。使用相同的标号来识别两种不同燃料喷射器形式中的相同特征，但标号在图8的双同心构造的情形中包括“a”，而在图9的并置形式的情形中包括标记“b”。在两种形式中，相应的气体针型阀部件73和液体针型阀部件78在不同位置座置在喷射器体部70的同一末端构件71上。不论采用燃料喷射器的哪一种形式，气体针型阀部件73都将包括暴露于气态喷嘴容积91中的流体压力的开启液力表面69和暴露于气体针型控制腔室92中的流体压力的封闭液力表面61。另一方面，液体针型阀部件78包括暴露于液体喷嘴腔室99中的流体压力的开启液力表面59和暴露于液体针型控制腔室95中的流体压力的封闭液力表面58。如图3所示，双螺线管致动器100可以用于在不同构造中独立地控制处于不同构造中的两个针型控制阀117和119，以提供非喷射构造、液体或柴油燃料喷射构造、气态燃料喷射构造和甚至组合的喷射构造。双螺线管100被示出处于其非喷射构造中，其中第一衔铁101位于未通电位置，第二衔铁103位于未通电位置，且杠杆140位于第一角定向，所 述第一角定向在所示实施例中是水平的(参看图6)。第一衔铁101附装在本身附装在推杆110上的引导件106上，所述推杆110转而与控制阀部件154接触。推杆110与阀部件154接触但未附装在其上使得这两者在超程(overtravel)期间可以实际上分离，以抑制跳动和不必要的燃料喷射。衔铁101、引导件107和推杆110由相对弱的超程弹簧109偏压成与控制阀部件154接触。较强的偏压弹簧114将控制阀部件154偏压成与圆锥形座156接触，以封闭阀腔室161与连接到排出出口 77的低压通路76之间的流体连接。因此，当第一电动致动器44断电时，推杆110与阀部件154接触，所述阀部件154本身接触以封闭形成在喷射器体部70的堆叠构件158中的圆锥形座156。如图4和图5中最佳所示，针型控制腔室92始终经由Z孔口 175与液体喷嘴供给通路98流体连接。当控制阀部件154在其上部位置与圆锥形座156接触时，针型控制腔室92也经阀腔室161和A孔口 173经由压力连通通路177与液体喷嘴供给通路98流体连接。压力连通通路177包括F孔口 171，所述F孔口 171在一个端部经平阀座161打开并在其相对的端部与液体喷嘴供给通路98流体连接。因此，F孔口 171和A孔口 173在液体喷嘴腔室98与针型控制腔室92之间流体串联。当第一电动致动器44通电以使衔铁101从初始气隙位置移向最终气隙位置以使用推杆110推动阀部件154从与圆锥形阀座156接触到与平阀座161接触以封闭F孔口 171时，这种流体连接被堵塞。此时，针型控制腔室92变成经由A孔口 173、阀腔室161并经可以视为排出通路76的一部分的圆锥形座156与低压排出通路76流体连接。控制阀部件154因此被限制为与等于衔铁从其初始气隙位置到其最终气隙位置的行进距离的阀行进距离对应地在圆锥形阀座156与平阀座161之间移动。当第一电动致动器44断电时，相对较强的弹簧114朝与圆锥形座156接触推动控制阀部件154离开平阀座151。当控制阀部件154与圆锥形座156接触时，推杆110、引导件107和衔铁IOI可以继续超过初始气隙位置行进到超程位置，同时进一步压缩超程弹簧109。此时，推杆110可以实际上移动脱离控制阀部件154。该动作抑制了控制阀部件154跳动离开其圆锥形座156以抑制二次燃料喷射。随着控制阀部件154移动离开平阀座151，针型控制腔室92中的压力将快速上升并且通过经由Z孔口 175并平行经由F孔口 171和A孔口 173与液体喷嘴供给通路98的两个流体连接来加速使用液态燃料再充填针型控制腔室92。尽管不是必要的，但F孔口可以小于Z孔口，所述Z孔口可以小于A孔口。在所有情形中，F、A和Z孔口属于同一数量级，这意味着这些孔口比流动区域中的其它孔口中的任何孔口大十倍。针型控制腔室92与气态直接控制针型阀53相关，该控制针型阀53包括暴露于其中的流体压力的封闭液力表面。第二针型控制阀117包括可以与针型控制阀119相同但由与双螺线管致动器100相关的第二电动致动器43控制的管件。然而，代替如对控制阀119所述的共轴致动装置，针型控制阀117经由包括杠杆140的连杆可操作地联接到电动致动器43。电子控制的针型控制阀117包括附装成随引导件106移动的衔铁103，所述引导件106通过绕枢转销141枢转的杠杆140连结到推杆112。相对弱的超程弹簧111将引导件106和推杆112偏压成与控制阀部件153接触。相对强的弹簧113将控制阀部件153偏压成与圆锥形座155接触。因此，当螺线管线圈104断电时，衔铁103将搁靠在初始气隙位置并且推杆112将与控制阀部件153接触。当处于这种非喷射构造中，针型控制腔室95经由Z孔口 174并平行经由F孔口 170和A孔口 172与液体喷嘴供给通路98流体连接。压力通路176在一个端部处连接到液体喷嘴供给通路98并在其相对的端部处包括经平阀座150开口的F孔口 170。与控制阀部件154相似，控制阀部件153被限制为在平阀座150与圆锥形座155之间移动。当·线圈104通电时，衔铁103将从其初始气隙位置朝其最终气隙位置移动。此时，引导件106作用在杠杆140的一侧，从而使它绕枢转销141从初始角定向朝第二角定向枢转，以向下推动推杆112，从而朝与平阀座150接触来推动阀部件153脱离与圆锥形座155的接触，以封闭F孔口 170。此时，针型控制腔室95变成经由A孔口 172、阀腔室160并经可以视为低压排出通路76的一部分的圆锥形阀座155与低压排出通路76流体连接。针型控制腔室95与液体直接控制针型阀52相关，所述控制针型阀52包括暴露于其中的流体压力的封闭液力表面58。尽管不是必要的，但平座150和151以及所有F、A和Z孔口 170-175可以是单个堆叠构件157的一部分，所述堆叠构件157是喷射器体部70的一部分。圆锥形座155和156可以由喷射器体部70的第二堆叠构件158限定。应指出，双螺线管致动器100利用共同或共用的定子105，螺线管线圈102和104两者都安装在所述定子105上。因此，使衔铁101或衔铁103或者两者移动所需的磁通量由共用的定子105携带。如图6和图7中最佳所示，杠杆140可以成形为沿一直线与引导件106和推杆112接触，以便减少与枢转销141的任一侧的杠杆臂有关的不确定性。可以通过在枢转销141的下侧设置接纳杠杆140的顶部边缘的凹槽144来抑制杠杆140沿枢转销141的移动，如图7中最佳所示。同样，杠杆40的顶面可以包括缺口，枢转销141搁置在所述缺口中，以抑制杠杆140沿垂直于枢转销141的直线移动。卡紧螺钉(capture screw) 146可以用于将杠杆140初始定位在燃料喷射器12中。卡紧螺钉146还可以抑制杠杆140在制造和操作期间脱开。最后，当正确安装时，杠杆140与卡紧螺钉146之间可以存在稍微的分隔距离，以在燃料喷射器12的正常操作期间避免两者之间的相互作用。尽管由控制阀部件153与衔铁103之间的杠杆140提供的联动可以增大几何公差，但衔铁103从其初始气隙位置朝其最终气隙位置的衔铁行进距离应该等于控制阀部件153从其与平阀座150接触到与圆锥形阀座155接触的行进距离。当燃料喷射器12处于非喷射构造时，螺线管线圈102和104两者都断电，衔铁101和103位于它们的初始气隙位置，并且推杆110和112与相应的阀部件154和153接触。此夕卜，针型控制腔室92和95中的压力高并且由于与液体共用轨14不受阻碍的流体连接而约等于液体共用轨14中的压力。控制阀部件154和153两者都在它们的上部位置与各自的圆锥形座156和155接触，以相对于排出出口 77封闭分别地控制腔室92和95之间的流体连通。此外，当处于非喷射构造中时，针型控制腔室92和95经相应的F孔口 171、170、相应的A孔口 173、172和相应的Z孔口 175、174与液体喷嘴腔室99流体连接。当处于气态燃料喷射构造中时，线圈102通电，衔铁101已从其初始气隙位置移动到其最终气隙位置，从而使控制阀部件154从与圆锥形座156接触移动成与平阀座151接触，以封闭F孔口 171。同样，在液体喷射构造期间，线圈104通电，从而使衔铁103从其初始气隙位置移动到其最终气隙位置，以使杠杆140从第一角定向转动到第二角定向而使推杆112向下移动，以将控制阀部件153从与圆锥形座155接触向下推动成与平阀座150接触，以封闭F孔口 170。当处于组合喷射构造中时，线圈102和104两者都通电，并且相关的衔铁和其它构件如上所述移动。当燃料喷射器12处于气态燃料喷射构造或非喷射构造中时，杠杆140将处于一个角定向上，并且当燃料喷射器12处于液态燃料喷射构造或组合喷
射构造中时，杠杆140将处于另一个角定向上。在图8和图9中的燃料喷射器12的两种形式中，气体针型阀部件73完全定位在喷射器70的内侧，其中引导面75在第一压力控制腔室92与气体喷嘴腔室91之间在喷射器体部70的引导构件72中延伸。气体喷嘴腔室91始终与气态燃料共用轨16流体连接，并因此处于与气态燃料共用轨16相同的压力下。气体针73的一段74和引导构件72限定环形容积94的始终经由分支通路与液体共用轨14流体连接的部分，所述分支通路与液体喷嘴供给通路98流体连接，所述液体喷嘴供给通路98也始终与液体喷嘴腔室99流体连接。这种结构可以帮助维持引导间隙93中的润滑性。气体针型阀部件73是气体直接控制针型阀53的一部分，而液体针型阀部件是液体直接控制针型阀52的一部分。工业适用件本发明的双燃料共用轨系统10 —般适用于在相关的发动机的燃烧空间中利用两种燃料的任何发动机。这两种燃料可以是处于两种不同压力下的同一种燃料，或者可以如所示实施例中那样是不同的燃料。本发明特别适用于利用经由源自共用轨14的小充量馏出柴油燃料的压缩点燃来点燃的较大充量的天然气的气态燃料发动机。本发明的同轴套筒组件118可以有利于两种燃料经与发动机5的每个燃料喷射器12相关的发动机缸盖经由单个孔移动到安装在发动机5的缸盖6中的燃料喷射器12。这种策略保留了发动机中和发动机周围的有用空间，并且潜在地防止了与通往曲轴箱的泄漏路径相关的燃料污染。本发明的F、A、Z三通控制阀可以潜在地适用于任何燃料喷射器，该燃料喷射器是单燃料喷射器或如图所示的双燃料喷射器。通过采用与发动机缸盖的外表面螺栓连接的缸套120，可以利用分开的负载调节器60和66来独立地将内管50和外管40分别装载到燃料喷射器12的圆锥形座57和46上，以抑制燃料之间的燃料泄漏并抑制燃料泄漏到燃料喷射器12外侧的大气，同时解决与每个燃料喷射器的流体连接相关的略微尺寸差异。当操作时，处于第一压力下的第一燃料(馏出柴油)从第一共用轨14移动通过第一燃料通路32、通过内管50并进入燃料喷射器12。处于第二压力下的第二燃料(天然气)从第二共用轨16移动通过第二燃料通路35、通过外管40与内管50之间的外通路49并进入燃料喷射器12。可以通过将共用轨14中的压力设定为中高压(可以是约40MPa)并且将共用轨16中的压力设定为中低压(可以是约35MPa)来抑制第二燃料向第一燃料的泄漏。抑制液态燃料向气态燃料中的泄漏包括使用压缩载荷调节器66来将内管50上的压缩负载设成高于第一预定阈值，以在管50的两个端部上形成适当的密封力。可以通过使用第二负载调节器60将外管40上的压缩负载设成闻于外管40上的压缩负载以在外管40与燃料喷射器12之间形成密封来抑制第二燃料向大气的泄漏。通过设置与外管40接触的至少一个O形环(如O形环80)来 抑制气态燃料向大气的泄漏。不过，本领域的技术人员应了解，可以利用其它同心管供给装置而不脱离本发明。然而，在所示的实施例中，可以通过利用第一压缩负载调节器60和第二压缩负载调节器66以个别地分别调节外管40和内管50中的压缩负载来适应发动机5和燃料系统10的各种构件的泄漏和几何公差的变化。通过使燃料喷射器12从非喷射构造分别变成气态燃料喷射构造或液态燃料喷射构造来启动气态或液态燃料喷射事件。通过使燃料喷射器12从气态或液态燃料喷射构造变回非喷射构造来结束这种喷射事件。由于用于气态燃料喷射事件或液态燃料喷射事件的管件和构件除了杠杆140以外都相似，所以为了简洁将结合燃料喷射器用于执行气态或液态燃料喷射事件的操作。燃料喷射事件的启动包括通过使控制阀部件154、155移动脱离与圆锥形座156、155的接触以开启液体喷嘴腔室99与排出出口 77之间经由Z孔口 175、174、针型控制腔室92、95和A孔口 173的流体连接来降低针型控制腔室92、95中的压力。控制阀部件154、153朝与平阀座151、150的接触移动，以封闭液体喷嘴腔室99与针型控制腔室92,95之间经由F孔口 171、170的流体连接。在液态燃料喷射事件的情形中，通过使杠杆140从第一角定向转动到第二角定向来完成该动作。结束喷射事件的步骤包括通过使控制阀部件154、155从与平阀座151、150接触移动成与圆锥形座156、155接触以使针型控制腔室92、95经由Z孔口 175、174并平行经由F孔口 171、170与液体喷嘴腔室99流体连接来提高相关针型控制腔室92、95中的压力。在液态燃料喷射事件的情形中，通过使杠杆从第二角定向转动回到第一角定向来完成这些动作。在组合喷射事件期间，控制阀部件154和153两者都如上所述移动。本领域的技术人员应了解，燃料喷射器12可以通过首先启动气态燃料喷射事件来操作，所述气态燃料喷射事件稍后变成组合燃料喷射事件。短时间后，组合燃料喷射事件可以通过液态燃料喷射事件结束而回到气态燃料喷射事件。同样，稍后，可以结束气态燃料喷射事件。例如，在膨胀冲程期间，气态燃料的喷射可以大致在上止点前一定时间开始并在上止点后继续相当一段时间。然而，液态燃料喷射事件可以相对短暂并在上止点或上止点附近发生，以便由于液态燃料充量的压缩点燃而启动较大气态燃料充量的燃烧。电子控制阀117和119每一者都包括有助于抑制阀跳动以便减少不希望的二次喷射的可能性以及在希望封闭的联接喷射的情况下促进燃料喷射器构件的快速安置以缩短停留时间的超程特征。因此，当结束燃料喷射事件时，相应的线圈102或104断电。此时，相应的偏压弹簧114或113克服相应的超程弹簧111和109的作用随同相应的联结件向上推动阀部件154、153。因此，衔铁101、103从最终气隙位置朝初始气隙位置移动。当衔铁到达其初始气隙位置时，控制阀154、153将通过与圆锥形座156、155接触而突然停止。然而，推杆110、112和相关的引导件107、106将随衔铁101、103超出初始气隙位置朝超程位置移动，而相应的推杆110、112同时移动脱离与控制阀部件154、153的接触。这种超程运动最终被相应的超程弹簧109、111阻止，所述超程弹簧然后驱迫衔铁101、103回到初始气隙位置，在该初始气隙位置，相应的推杆110、112恢复与阀部件154、153接触，当不具有充足的能量以推动阀部件154、153脱离其圆锥形座156、155而产生不希望的二次喷射事件。本发明的控制阀结构与现有技术结构相比提供了若干微小但重要的优点。首先，通过利用圆锥形座来使排出出口 77与相应的针型控制腔室95、92分离，当未发生喷射时，在发动机循环中的大部分燃料喷射器时间段实际上发生零燃料泄漏。这与利用喷射事件之间几乎无法避免一定量泄漏的平座的控制阀形成对比。通过包括F孔口并对控制阀117、119增加三通功能使得F孔口在喷射事件期间封闭，与不带F孔口的对应燃料喷射器相比加快了可以在相应的针型控制腔室95和92中建立压力并为随后的喷射事件再充填的速度。通过使F孔口经平阀座打开，免于需要使圆锥形座156、155的中心与平座151、150的中心精确地对准，因为平座非常可以容忍不对准。通过允许电动致动器在断电期间在喷射事件结束时与控制阀分离，可以在一定程度上减轻制造燃料喷射器的几何公差，同时还抑制由于阀跳动而引起的不希望的二次喷射事件。根据本发明的燃料系统10还包括与公知的双燃料系统相比提供优点的若干个微小功能。这些功能中有经由分开的阀和分开的电动致动器为气体和液体系统中的每一者进 行独立的喷射控制。因此，燃料喷射器12可以被控制成仅喷射气态燃料，仅喷射液态燃料，同时喷射气态和液态两种燃料，当然在未发生喷射时具有非喷射模式。此外，双螺线管致动器100节省了空间而不牺牲性能。虽然通常通过将液态燃料共用轨14维持在比气态燃料共用轨16高的压力来抑制气态燃料迁移到液态燃料中，但其它微小但重要的特征有助于防止这种泄漏。还通过将液态燃料供给定位在内管50中并且将向喷射器12的气态燃料供给定位在内管50与外管40之间的外通路49中来抑制交叉泄漏问题。通过使这些通道同心地定位，可以经由贯通发动机壳体6 (缸盖)的一个通道而不是两个通道给每个燃料喷射器12供给两种燃料。燃料喷射器12内的运动构件的润滑可以通过暴露于液态柴油燃料来维持。例如，与气体针73相关的引导间隙93用液态柴油燃料维持以维持润滑，即使气体针73的一个端部始终暴露于气体喷嘴腔室91中的气态燃料。通过利用同心供给策略，本发明的燃料系统10提供了以最低限度的发动机缸盖修改来改造已有的发动机的潜在机会。几种形式的燃料喷射器12的结构还通过将气态燃料喷嘴出口 90和液态燃料喷嘴出口 96定位在单个末端构件71中而不是经由本领域中公知类型的某种嵌套针策略来抑制气态燃料泄漏到发动机气缸内。因此，本发明的燃料喷射器12通过气体和液体针结构中的每一者在它们的移动、座靠和偏压特征方面独立而避免了堆叠公差和其它不确定性。该策略可以更好地实现与相同的控制信号一致地工作的燃料喷射器的批量生产。最后，本发明的发动机5设想通常的双燃料模式和仅喷射液态燃料的跛行回家模式两者。例如，如果气态燃料系统中发生故障或者气态燃料供给耗尽，则电子控制器15可以致使或允许发动机从双燃料模式切换到单燃料跛行回家模式。如图6中最佳所示，双燃料模式的特征在于大气体喷射量138和液态燃料的少量喷射135。另一方面，跛行回家模式的特征可以在于不喷射气体但喷射大量液态燃料136。此外，正常双燃料模式的特征在于气体共用轨16和液体共用轨14分别被维持在中低压和中高压。另一方面，跛行回家模式的特征可以在于允许气态燃料共用轨衰减至或维持在低压，同时液体共用轨14中的压力上升至高压133 (可以大于lOOMPa)。当在双燃料模式下操作时，喷射量相对小的液态馏出柴油燃料被压缩点燃，以转而点燃至少部分地预先喷射到发动机气缸内的相对大充量的气态燃料。另一方面，在跋行回家模式期间，发动机5 —定程度上充当传统柴油发动机，其中相对大量的液态燃料在压缩冲程的上止点或其附近喷射，以在喷射后以公知方式瞬间点燃。本说明书仅基于说明的目的，并且不应该被解释为以任何方式使本公开内容的范围变窄。因此，本领域技术人员应了解，可以对当前公开的实施例作出各种改型而不脱离本 发明的完整和合理的范围和精神。其它方面、特征和优点将在审阅附图和所附权利要求后变得显而易见。
权利要求
1.一种燃料喷射器，包括 喷射器体部，所述喷射器体部限定燃料入口、排出出口和喷嘴出口，并且在所述喷射器体部中布置有喷嘴腔室、针型控制腔室和阀腔室，并且所述喷射器体部包括带有平座的第一堆叠构件和带有圆锥形座的第二堆叠构件； 所述针型控制腔室经包括所述圆锥形座的排出通路与所述排出出口流体连接； 所述针型控制腔室经Z孔口与所述喷嘴腔室流体连接； 所述针型控制腔室经A孔口与所述阀腔室流体连接； 所述喷嘴腔室通过包括F孔口并贯通所述平座的压力通路与所述阀腔室流体连接；针型控制阀，所述针型控制阀包括被限制为在与所述圆锥形座接触和与所述平座接触之间移动的控制阀部件，以及定位成朝所述圆锥形座偏压所述控制阀部件的弹簧； 电动致动器，所述电动致动器可操作地联接到针型控制阀，并具有通电构造和断电构造，在处于通电构造时，所述控制阀部件被推动离开所述圆锥形座移向所述平座；以及直接控制针型阀，所述直接控制针型阀布置在喷射器体部中并具有定位在所述喷嘴腔室中的开启液力表面和定位在所述针型控制腔室中的封闭液力表面，并且可以在封闭位置与开启位置之间移动，在所述开启位置，所述喷嘴出口与所述喷嘴腔室流体连接。
2.根据权利要求I所述的燃料喷射器，其中，所述F孔口小于所述Z孔口，所述Z孔口小于所述A孔口。
3.根据权利要求I所述的燃料喷射器，其中，所述电动致动器是带有衔铁的螺线管，所述衔铁相对于定子在初始气隙与最终气隙之间移动衔铁行进距离；并且 所述控制阀部件在所述平座与所述圆锥形座之间的阀行进距离等于所述衔铁行进距离。
4.根据权利要求3所述的燃料喷射器，其中，所述衔铁附装在引导件上； 超程弹簧定位成朝与所述控制阀部件接触偏压推杆； 所述衔铁具有动态超程构造，在所述动态超程构造，所述衔铁移动超过所述初始气隙位置并且所述推杆移动脱离与所述控制阀部件的接触。
5.根据权利要求I所述的燃料喷射器，其中，所述第一堆叠构件限定所述F孔口、所述A孔口和所述Z孔口。
6.根据权利要求I所述的燃料喷射器，包括第二电动致动器、第二控制阀部件、第二平座、第二圆锥形座、第二燃料入口、第二喷嘴出口、第二直接控制针型阀、第二 F孔口、第二 A孔口、第二 Z孔口、第二喷嘴腔室、第二阀腔室和第二针型控制腔室；并且 所述喷射器体部仅限定一个排出出口。
7.根据权利要求6所述的燃料喷射器，其中，F孔口小于Z孔口，Z孔口小于A孔口； 电动致动器是带有衔铁的螺线管，所述衔铁相对于定子在初始气隙与最终气隙之间移动衔铁行进距离； 控制阀部件在所述平座与所述圆锥形座之间的阀行进距离等于衔铁行进距离； 衔铁附装在引导件上； 超程弹簧定位成朝与控制阀部件接触偏压推杆； 衔铁具有动态超程构造，在所述动态超程构造，衔铁移动超过初始气隙位置并且所述推杆移动脱离与所述控制阀部件的接触；并且所述第一堆叠构件限定所述F孔口、所述A孔口和所述Z孔口。
8.一种双燃料系统，包括 带有第一燃料入口、第二燃料入口、排出出口、第一喷嘴出口组和第二喷嘴出口组的双燃料喷射器，并在所述双燃料喷射器中布置有具有定位在第一针型控制腔室中的封闭液力表面的第一直接控制针型阀和具有定位在第二针型控制腔室中的封闭液力表面的第二直接控制针型阀，并且包括第一电子控制阀和第二电子控制阀； 与所述第一燃料入口流体连接的液态燃料源； 与所述第二燃料入口流体连接的气态燃料源；并且 所述第一和第二电子控制阀每一者都包括被限制为在与圆锥形阀座接触和与平阀座接触之间移动的控制阀部件。
9.根据权利要求8所述的双燃料系统，包括响应于所述第一电子控制阀的第一衔铁在初始气隙位置与最终气隙位置之间的移动而在第一定向与第二定向之间枢转的杠杆。
10.根据权利要求9所述的双燃料系统，其中，所述双燃料喷射器具有第一燃料喷射器构造、第二燃料喷射构造、组合喷射构造和非喷射构造。
11.根据权利要求10所述的双燃料系统，其中，当所述双燃料喷射器处于所述第一燃料喷射构造或所述组合燃料喷射构造时，第一控制阀部件与第一平阀座接触以封闭第一 F孔口 ；并且 当所述双燃料喷射器处于所述第二燃料喷射构造或所述组合燃料喷射构造时，第二控制阀部件与第二平阀座接触以封闭第二F孔口。
12.根据权利要求11所述的双燃料系统，其中，当所述双燃料喷射器处于所述非喷射构造时，第一针型控制腔室经第一 F孔口、第一 A孔口和第一 Z孔口与第一喷嘴腔室流体连接， 当所述双燃料喷射器处于所述非喷射构造时，第二针型控制腔室经第二 F孔口、第二 A孔口和第二 Z孔口与所述第一喷嘴腔室流体连接。
13.根据权利要求12所述的双燃料系统，其中，第一和第二Z孔口分别与第一和第二 F孔口和A孔口流体并联； 所述第一 F孔口和所述第一 A孔口流体串联在第一喷嘴腔室与第一针型控制腔室之间；并且 所述第二 F孔口和所述第二 A孔口流体串联在第一喷嘴腔室与第二针型控制腔室之间。
14.根据权利要求13所述的双燃料系统，其中，所述双燃料喷射器包括杠杆，在所述双燃料喷射器处于所述第一燃料喷射构造或所述组合燃料喷射构造时，所述杠杆具有第一角定向，并且当所述双燃料喷射器处于所述第二燃料喷射构造或所述非喷射构造时，所述杠杆具有第二角定向。
15.根据权利要求14所述的双燃料系统，其中，所述第一燃料入口被同心的内圆锥形座和外圆锥形座包围； 第二燃料入口在所述内圆锥形座与所述外圆锥形座之间打开； 液态燃料源为第一共用轨； 气态燃料源为第二共用轨；第一电子控制阀的第一衔铁和第二电子控制阀的第二衔铁沿公共中心线移动。
16.一种操作燃料喷射器的方法，包括以下步骤 通过从非喷射构造变成第一燃料喷射构造来启动第一燃料喷射事件；通过从所述第一燃料喷射构造变成所述非喷射构造来结束所述第一燃料喷射事件；所述启动步骤包括通过使第一控制阀部件移动脱离与第一圆锥形座的接触以开启第一喷嘴腔室与排出出口之间的经由第一 Z孔口、第一针型控制腔室和第一 A孔口的流体连接、并使第一控制阀部件朝与第一平座的接触移动以封闭第一喷嘴腔室与第一针型控制腔室之间的经由第一 F孔口的流体连接，从而降低第一针型控制腔室中的压力；并且 所述结束步骤包括通过使第一控制阀部件从与第一平座接触移向与第一圆锥形座接触以使所述第一针型控制腔室经由第一 Z孔口并且平行地经由第一 F孔口与第一喷嘴腔室流体连接来提高第一针型控制腔室中的压力。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述结束步骤包括使第一衔铁超出初始气隙位置朝超程位置移动同时使第一推杆移动脱离与第一控制阀部件的接触。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一燃料喷射事件是液态燃料喷射事件； 通过从非喷射构造变成第二燃料喷射构造来启动气态燃料喷射事件；通过从所述第二燃料喷射构造变成所述非喷射构造来结束所述第二燃料喷射事件；所述启动步骤包括通过使第二控制阀部件移动脱离与第一圆锥形座的接触以开启第一喷嘴腔室与排出出口之间的经由第二 Z孔口、第二针型控制腔室和第二 A孔口的流体连接、并使第二控制阀部件朝与第二平座的接触移动以封闭第一喷嘴腔室与第二针型控制腔室之间的经由第二 F孔口的流体连接，从而降低第二针型控制腔室中的压力；并且 所述结束步骤包括通过使第二控制阀部件从与第二平座接触移向与第二圆锥形座接触以使所述第二针型控制腔室经由第二 Z孔口并且平行地经由第二 F孔口与第一喷嘴腔室流体连接来提高第二针型控制腔室中的压力。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述启动步骤包括使杠杆从第一角定向转动到第二角定向； 所述结束步骤包括使所述杠杆从所述第二角定向转动到所述第一角定向。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一燃料喷射事件是液态燃料喷射事件； 通过从非喷射构造变成第二燃料喷射构造来启动气态燃料喷射事件；通过从所述第二燃料喷射构造变成所述非喷射构造来结束所述第二燃料喷射事件；所述启动步骤包括通过使第二控制阀部件移动脱离与第一圆锥形座的接触以开启第一喷嘴腔室与排出出口之间的经由第二 Z孔口、第二针型控制腔室和第二 A孔口的流体连接、并使第二控制阀部件朝与第二平座的接触移动以封闭第一喷嘴腔室与第二针型控制腔室之间的经由第二 F孔口的流体连接，从而降低第二针型控制腔室中的压力；并且 所述结束步骤包括通过使第二控制阀部件从与第二平座接触移向与第二圆锥形座接触以使所述第二针型控制腔室经由第二 Z孔口并且平行地经由第二 F孔口与第一喷嘴腔室流体连接来提高第二针型控制腔室中的压力。
全文摘要
燃料喷射器包括喷射器体部，喷射器体部限定燃料入口、排出出口和喷嘴出口，并在其中布置有喷嘴腔室、针型控制腔室和阀腔室。针型控制腔室经包括圆锥形座的排出通路与排出出口流体连接，经Z孔口与喷嘴腔室流体连接，并经A孔口与阀腔室流体连接。喷嘴腔室通过包括贯通平座的F孔口的压力通路与阀腔室流体连接。控制阀部件被限制为在与圆锥形座接触和与平座接触之间移动。电动致动器可操作以在通电时朝平座推动控制阀部件离开圆锥形座。直接控制针型阀具有定位在喷嘴腔室中的开启液力表面和定位在针型控制腔室中的封闭液力表面。燃料喷射器可以包括用于独立地喷射气态燃料和液态燃料的第一和第二电子控制阀。
文档编号F02D19/06GK102953884SQ201210285129
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月10日 优先权日2011年8月12日
发明者H·金, M·F·索马斯, X·丁 申请人:卡特彼勒公司