专利名称：改进电磁线圈操纵的流体阀门的开启特性的装置的制作方法
技术领域：
本发明一般是涉及电磁线圈操纵的流体阀门，更具体地说，本文在此公开了一种将用高压将易挥发的燃料，例如汽油，直接喷射到二冲程内燃机内的阀门的改进。
燃料喷射器响应打开输入信号指令的性能对于燃料喷射器向燃烧室输送精确的燃料喷射量的能力方面是一个很重要的因素。确定燃料喷射器磁路的参数(例如，定子，衔铁，以及定子与衔铁之间的工作间隙)具有特别的重要性，因为，作用在衔铁上的磁力就是在这条导通磁力线的磁路上通过的。磁力线达到最高峰的速率决定了作用在衔铁上的力达到最高峰的速率。力量达到最高峰越迅速，燃料喷射器打开得就越快。
一般都认为，磁力线不可能在一瞬间就达到高峰，所以通常的做法是采用各种不同的燃料喷射器的驱动电路，这些电路试图在电磁线圈中使电流以最快的速率达到最高峰，以为这样做必然也会使磁路中的磁力线以最快的速率达到最高峰，且其结果能使燃料喷射器的开启时间达到最短。
目前已经发现，磁力线的瞬时最高峰不是在阀门磁路中的导磁部件(例如定子和衔铁)整个横断面面积上均匀地产生的。相反，磁力线必须首先在导磁部件的“表层”达到最高峰，然后才能在部件横截面的内部达到最高峰。这一现象是磁路通过的部件的一种物理特性，并且有一个延缓磁力线传播到横截面内部去的时间常数(虽然是一个很小的数)。为了便于叙述，本文中称之为磁力线传播滞后特性。因此，对于一种既定的磁路结构，在该结构的横截面内任何一个既定点上随着线圈内的电流的最高峰而产生的磁力线最高峰是一种瞬时现象，它是输入线圈内的电流和该点在横截面内特定位置的函数，而该电流是时间的函数。磁力线传播滞后特性是对磁路达到磁力线最高峰的一种固有的限制，它与驱动电流在电磁线圈内达到电流最高峰的能力无关，所以，使线圈电流达到最高峰的时间减到最少并不是使磁力线在这样一个短暂的瞬间达到最高峰必需的决定性因素。磁饱和也是在实际应用的磁路中磁性部件固有的物理性能。
换一种说法，可以这样说，在使磁力达到瞬时最高峰的过程中，如果没有磁力线传播滞后特性，电流达到最高峰的某种速率将会有效地于一定的时间内在整个导磁部件的横截面积内建立密度均匀的磁力线，相反，当考虑到磁力线传播滞后特性时，那么在同样的时间内，将在导磁部件整个给定的横截面积上造成磁力线不均匀的分布方式;而且，如果在该短时间内线圈中的电流增加得非常快，则由于磁饱和关系，磁力线的分布方式将由磁饱和的表层和磁力线很少的内芯所组成，整个截面上的全部磁力线要比没有磁力线传播滞后特性时所产生的磁力线少。
在线圈内的电流达到最高峰并且导磁部件的磁畴被磁化的这一时间内，作为一种瞬变现象而达到最大值的磁力，对于打开燃料喷射器具有极大的意义。如果说最后稳定的公称力(不到磁饱和程度)是导磁部件横断面积的函数，那么现已发现，瞬时力是导磁部件表层围绕其横截面积的周边测得的长度的函数。虽然对这个表层还没有精确的限定，但通常认为它是相当薄的，例如，只有几个微米。由于这一“表层”的横截面积小，所以在磁力线能够更深地传播到横截面积更深的内部之前，很容易使它饱和。由此可见，在这样的瞬时条件下，不能充分利用导磁部件的全部横截面积，因此瞬时力的最大值是受到限制的。
燃料喷射器必须达到规定的开启力的要求，而燃料喷射器的大小又受到一定空间尺寸的限制的情况下，并不总是能够用已知的技术来解决这个问题。因此，人们都期望能获得一种解决方案，而本发明正是针对这一目标改进的。本发明的发明要点赋予燃料喷射器具有能在与以前所能达到的组装尺寸相等或更小些的尺寸范围内，用电磁线圈操作装置达到规定的开启力要求的性能。此外，本发明要点能通过使用通常的制造方法来实现。
还有一个对达到磁力的最高峰有割的因素就是产生涡流现象。电磁线圈里电流的变化在导磁部件内造成了这种涡流，延缓了燃料喷射器后启。因此，如果本发明提供的解决方案也能减少这种涡流的话，那也是很有利的，而这一点事实上是能够在实行本发明的过程中得以实现的。
简单地说，本发明在此公开的一个目前最佳的实施例是一个具有新颖磁路的燃料喷射器的阀。
磁路由一个定子，一个衔铁和一个工作间隙组成。总的说来，本发明包含增加磁性部件“表层”总量而不相应地增加组装尺寸的装置。上述表层总量的增加是由在磁性部件中包含几组长槽来实现的。上述磁性部件中还包括改变涡流的环形路径的装置，其方式是设法减弱涡流对达到瞬时磁力的最高峰的干扰。
在公开的最佳实施例中，本发明包括一个有圆筒形内、外磁极元件的定子，磁极元件从一个圆环形端壁上延伸出来，并且形成一管状的空间，一个用电力致动的电磁线圈就放置在该管状空间内用来产生工作磁场，以使衔铁移动并使燃料喷射器开启。该最佳实施例中的磁路包括两个平行的环形工作间隙，其布置在衔铁和内、外磁极元件的自由端之间。用来增加定子表层的总量而不增加其装配尺寸的装置在于沿着磁极元件纵向连续的许多长槽，不过，从本发明广义上的要点来考虑，这些长槽可以设置在沿导通穿过磁隙的磁力线的磁路上的任何一部分上。
通过以下的进一步说明，本发明的其它目的、优点和性能将会变得更加清楚。
现参照下面对实施例的详细描述并配合附图，就能对本发明有更好的了解，并且能更容易地明白本发明其它优点和用途，附图中
图1是按照本发明提出的方案制造出的燃料喷射器阀门的横断面图;
图2是图1中电磁线圈定子的底视图，表示在圆筒形外磁极元件的内径和外径上的长槽;
图3是图2中电磁线圈定子的正视图，表示配置圆筒形外磁极元件的外径上的外槽;
图4是沿图2上剖面箭头4-4的方向所示本发明电磁线圈和衔铁圆盘的横截面图;和图5是本发明另一个实施例的电磁线圈定子的底视图;
现在请参阅附图且特别是参见图1所示，其表示出按本发明提出的方案制造出的燃料喷射器阀门10的纵剖面图。阀门10包括有圆筒形的外壳12，外壳中包含限定有排出口16的阀座14、衔铁总成18和电力驱动的电磁线圈20。衔铁总线18中包括衔铁圆盘22、阀杆24和阀针26。阀针26与阀座14相接触配合，并且由设置在复位弹簧孔34内的、位于垫块36和张力调整机构38之间的复位弹簧32将阀针26压至排出口16上把它封闭住。电磁线圈20包括定子40、用来与外部电源(未示出)连接的电力接线柱42，两根接线柱42穿过一对通过定子径向法兰46设置的相配的孔44，以及线圈48，当电力接线柱42与外部电源接通时，线圈48便产生一个工作磁场来克服复位弹簧32的压力，而使衔铁总成18从阀座14上移动，从而能提供通过液体流道28和排出口16的燃料通道。该燃料喷射装置的其它部分(未在图中示出)向燃料进口30稳定地供应燃料，燃料进口30与燃料喷射装置密封地连通。
当一个激发信号，例如一个矩形电压脉冲，作用于电磁线圈20上时，其中的电流便实现一次瞬时的增长。而这将使磁力获得一次瞬时的增强。由于上面提到的磁力线传播滞后特性和产生阻止磁力增强的涡流，这样就使得在磁力线向内部传播之前定子的表层可能就产生磁饱和了。反过来，当电磁线圈20断电时，瞬时内线圈电流的减少在磁路上会产生涡流，该涡流阻止磁路的退磁，而这可能影响到喷射器的关闭。
本发明的一个目的就是提供一种具有增加磁路中定子“表层”的总量而不增加定子的实际尺寸的装置的磁路，具有这种装置的磁路示于图2、3和4中。按照本发明的原理制造的磁咱50包括衔铁圆盘22、具有布置在端壁56上的圆筒形内磁极52和圆筒形外磁极54的定子40、以及相应的内、外工作磁隙62和64。当电磁线圈20通电激磁时，便在磁路50的表面层上产生以标号66表示的、画成虚线的磁力线(磁路50的磁化范围从外表面向内部深入)。
圆筒形内磁极52和圆筒形外磁极54两者都有固定的直径，且为了增加磁路50上定子表层的总量而不增加定子整个实际尺寸，圆筒形外磁极54具有设置在其内径表面/壁面72上的长槽70，在此用长槽的侧壁74来增加外磁极54的内径表面/壁面72的表面积。所以现在就使得在瞬间里让磁力线66具有使其通过的大量的表层，从而在外磁隙64中实际上形成了较多数量的磁力线66，当电磁线圈48中瞬时电流增加时，这些增多了的磁力线便在外磁隙处增加转化形成作用在衔铁圆盘22(见图6)上的磁力。外磁极54的外径壁面78与燃料喷射器阀门10的外壳12是压入配合，或者是紧贴在外壳12里面。只有内径表面/壁面72、长槽侧壁74和槽底76是向外磁隙64暴露的。增加的表层总量以及由此而引起的磁力线能量的增大就能够在此转化成越过外磁隙64的磁力。
外磁极54的外径表面/壁面78也可以开长槽以增加磁路50的阻力。因为这些长槽对于磁路50中的涡流也有一定作用。现在再参见图2，由于在开出长槽70之后留下的肋条82之间没有材料了，所以涡流被限制在肋条82的材料内部，并流入留在长槽底部的薄板84中。如果外径上的长槽86开成使其圆周上的间隔处在内径长槽70之间，就能够进一步限制涡流在薄板84上的通路。这种内径上和外径上的长槽70、86相互交替的方式使涡流的通路(如虚线88所示)比在不开槽的定子中的通路更加曲折。
长槽70分布在外磁极54的内壁(内径)上，但是这些长槽可以开设在无论是内磁极52、外磁极54、衔铁22，或是径向法兰56的表面上，也就是说，可以开设在磁路50中任何暴露于线圈48通电时可产生的磁场的表面上，以及所产生的磁力线可通过磁隙(例如相应的内、外磁隙62和64)的表面上，例如，在图4中用虚线画出磁力线66的表面上。
现在参阅图5，图中表示了本发明另一个实施例的电磁线圈定子的底视图，其中的内、外磁极92和94两者都分别具有回旋状的或者波纹形的表面96和98，以便使表层面积增大而不增大定子的装配尺寸。表面96和98和图2、3和4中的长槽70的作用完全一样，是用来增加表层面积的另一种手段。请注意，如上所述，分别在内、外磁极92、94上的内、外表面96、98都是回旋状的，因为每当增强了的磁力线通过一个或更多的磁隙时，磁路上增加的表面积都是有用的。还请注意，当如图3中所示利用长槽70、86，或如图5中所示利用表面96、98来增加表层面积时，这种表层面积的增加使得为稳定状态的磁路用的磁极的横截面积减少了。由于加上为增大表层面积的长槽会为稳定状态的磁力线所需的横截面积，所以长槽的尺寸和数量应减少到为产生磁路上越过磁隙所需要的瞬时磁力所必需的最低限度。然而，在许多实际例子中，即使因为增大表层面积减少了横截面积，磁路上的横截面积也总是足够大的，稳定状态的磁力线不至于达到饱和状态。
综上所述，本文公开了一种新颖的燃料喷射器的阀门，这种阀门上的磁路能迅速产生很大的瞬时磁力，比它的实心的对应物消耗较少的能量。这种阀门在电磁线圈的总成上在机械方面是等效的，并且制造成本也不高，因为在粉末冶金法和金属液体注模法中能够用加肋或使表面呈波纹形的方式做出长槽来。
虽然本文中只公开了本发明的一个最佳实施例，但是实现本文中公开的发明要点的各种不同方式都就被认为包括在权利要求书的范围之内。因此，很明显，本发明的保护范围应由权利要求书确定。
权利要求
1.一种阀门，其特征在于，其包括(a)一个有一进口的外壳；(b)一个布置在所述外壳中限定一个排出口的阀座；(c)一个具有阀元件，并且使所述阀元件关闭，在所述阀座上被偏压的衔铁；(d)一个定子，其至少有一个布置成与所述衔铁隔开一个距离以确定至少一个第1磁隙的第1磁极元件，所述定子、衔铁和第1磁隙至少组成一条磁路的第1部分；(e)一个围绕所述第1磁极元件的用电力激励的电磁线圈，所述电磁线圈在得电时首先在所述磁路的表层产生磁场磁力线，然后再传播到整个磁路中，以用来使所述衔铁通过所述磁隙向所述第1磁极元件移动；从而使所述阀门元件从所述阀座上移开；(f)布置在所述磁路的第1部分上用来增加磁路第1部分的表层面积的装置，此装置具有一组沿着电磁线圈得电时产生的磁力线的方向延伸，并且沿着通向磁隙的路径的长槽，从而使其在电磁线圈中的电流达到最高峰的瞬间里产生更大的瞬时磁力。
2.如权利要求1所述的阀门，其特征在于，磁路的第1部分具有相对的第1侧和第2侧，且所述一组长槽是分布在磁路的第1部分的第1侧上，而磁路的第1部分还包括分布在相对的第2侧上的第2组长槽，其在不是通向磁隙的路径上的磁力线的方向上，第2组长槽与第一组长槽互相交替地布置。
3.如权利要求1所述的阀门，其特征在于，所述长槽由分布在磁路的第1部分的一侧，并且在沿着通向磁隙的路径的磁力线方向上的波纹形表面来限定。
4.如权利要求3所述的阀门，其特征在于，其还包括一个第2波纹形表面，其分布在与磁路的第1部分上的第1波纹形表面相对的一侧，并且在不是通向磁隙的路径上的磁力线的方向上与第1波纹表面互相交替地布置。
5.如权利要求1所述的阀门，其特征在于，定子具有圆筒形的外磁极和内磁极，它们布置在一面径向端壁上，与衔铁隔开一定的距离，形成内、外径向磁隙，并且所述长槽都在沿着通向外磁隙的路径的长度方向布置在所述圆筒形外磁极元件内表面的预定位置上。
6.如权利要求5所述的阀门，其特征在于，圆筒形的内、外磁极以预定的径向间隔布置在辐射状端壁上，以便能使电力激励的电磁线圈能布置在圆筒形的内、外磁极之间，并且包围圆筒形内磁极。
7.如权利要求6所述的阀门，其特征在于，其还包括一组沿着通向内磁隙的路径的长度方向上，布置在圆筒形内磁极的外表面预定位置上的长槽。
8.如权利要求7所述的阀门，其特征在于，其还包括分别布置在辐射状端壁和衔铁的预定位置上的第3和第4组长槽，其辐射的方向分别与圆筒形内、外磁极上的第1和第2组长槽的路径一致，并且在第1和第2组长槽之间，以形成沿着通过内、外磁隙的路径的连续的长槽。
9.如权利要求8所述的阀门，其特征在于，其还包括布置在所述圆筒形外磁极外表面预定位置上的第5组长槽，该第5组长槽分别与在所述圆筒形外磁极内表面上的第1组长槽互相交替，以便当电磁线圈得电时，可为正对着磁路中产生的磁力线流动的涡流造成更为曲折的路径。
10.如权利要求9所述的阀门，其特征在于，第1组长槽的深度与外磁隙的宽度相同，以使所有增加的磁力线都被引导越过把磁力线转化成磁力的外磁隙。
11.如权利要求10所述的阀门，其特征在于，它还包括布置在圆筒形内磁极内表面上的第6组长槽，第6组长槽分别与在圆筒形内磁极外表面上的第2组长槽相互交替，以便当电磁线圈得电时，可为正对着磁路中产生的磁力线方向流动的涡流造成更为曲折的路径。
12.一种阀门，其具有一个进口，一个排出口，一条在所述两口之间的流道，一个控制所述两口之间的流动的开关装置，一个操纵所述开关装置的电磁线圈，所述电磁线圈具有一条由形成定子的导磁部件组成的磁路，而定子有一个协同工作的线圈，以及一个在操作上与所述开关装置连在一起的用来按照所述线圈的得电与断电操纵所述开关装置的衔铁，其特征在于，所述导磁部件具有一系列沿磁路中产生的磁力线的长度方向延伸的长槽，所述长槽分布在导磁部件的外表面上，并且其长度方向是从分开所述定子和衔铁的工作间隙延伸出来的。
13.如权利要求12所述的阀门，其特征在于，所述长槽是直线形的，并且围绕阀门长轴线的四周布置成均匀的形式。
14.如权利要求13所述的阀门，其特征在于，所述长槽在所述定子中。
全文摘要
改进电磁线圈操纵的流体阀门的开启特性的装置，其可使一个燃料喷射器(10)具有一新颖的电磁线圈驱动的磁路，磁路上有分布在磁路表面上的长槽、曲线形等(70、86、87)，以便当电磁线圈(20)得电时在产生磁力线的方向增加磁路的表面积而不增大其整体尺寸。使其一瞬时力增大，但不增大磁路的组装尺寸。表面积的增加使得越过磁隙的瞬时磁力增大，从而改善了衔铁对开启阀门的反应能力。
文档编号F02M51/06GK1086585SQ9310667
公开日1994年5月11日 申请日期1993年6月3日 优先权日1992年6月3日
发明者R·J·韦克曼 申请人:西门子汽车公司