直接致动的喷射阀的制作方法

专利名称：直接致动的喷射阀的制作方法
背景技术：
由于多种原因希望将气体燃料直接喷射入内燃机的燃烧室中。例如，直接喷射可使燃料分层，消除了与均匀增压发动机相关的节流损失。压缩行程中的直接喷射较晚可保持较高的压缩比从而保持了效率。此外，当直接喷射的燃料包括天然气、丙烷或氢时，明显减少了NOx和微粒物质(PM)的排放。直接喷射的气体燃料可利用一个热丝点火塞、一个火花塞或利用启动柴油进行点燃。
在高压下的直接喷射存在多个问题。直接喷射所用的高压燃油产生存在于喷射阀或喷射器中的高燃油压力。因此，必须将喷射阀特别牢固的定位，以避免燃油在喷射过程中泄漏入燃烧室中。例如，在阀被关闭时，在阀针的密封表面与阀座相互进行流体紧密接触时，所述阀就“定位”在一个针阀中。此外，与低压系统相比，高压系统需要较高的压力来开启喷射阀。例如，对于使用向内开启的阀针的针阀来说，当阀针处于开启位置时，它可能承受来自压力燃油的较高压力。此外，只存在较小的一段开启时间，在该开启时间内可喷射燃油。例如，在满负荷且转速为每分钟4500转(RPM)的情况下，所有燃油最好均在少于2-3毫秒的时间内喷射。
内燃机中几乎所有的现有燃油直接喷射系统均是液压致动的。这些系统依靠液压流体提供开启喷射阀(或多个阀，在发动机包括多个燃烧室时为多个阀)所需的力。因此，在典型的发动机速度下，液压致动的喷射器依靠液压流体压力中的迅速变化开启和闭合喷射阀。典型的情况为；通过增大液压流体的压力开启喷射阀，通过减小液压流体的压力关闭喷射阀，这样减小施加到喷射阀上的开启力就使阀闭合。但是，在常用气体喷射器的技术中，液压操作存在多个缺点，所述缺点包括-需要额外添加液压硬件例如液压泵、阀和液压流体储存器；-需要在压力变化的液压流体和高压气体燃料之间进行密封；-由于需要添加额外的硬件而增大了喷射阀组件的体积；
-由于电动阀硬件和控制来自喷射器的气流的阀针之间的液压流体的时间延迟，而延迟了系统的反应。
此外，在动力是由压力流体提供而不是由可直接控制的压力源提供的情况下，喷射阀运动的可控程度较低。在这方面，在利用双弹簧结构时，利用有限的性能就很难进行提升控制。因此，希望避免利用液压系统来操纵气体喷射器，特别是高速发动机的喷射器。在此处将针阀中的“提升”定义为针阀从其闭合/定位位置至其开启位置的移动。
现在已知利用压电致动或磁致伸缩致动(在电场或磁场的影响下可改变其尺寸的装置)直接致动喷射阀。例如，美国专利No.5,031,841(‘841)中披露了一种利用致动部件的计量阀，根据该专利的致动部件可以是一个压电块或一个磁致伸缩致动器。由‘841号专利披露的一个特征是添加了一个隔板，所述隔板具有双重目的，一个目的是作为一个弹簧将阀偏压入其闭合位置，另一个目的是在计量的流体和致动器之间提供密封。‘841专利披露了一种用于在壳体中机械地设置致动器的位置的调整螺栓。根据专利‘841，针阀通过一个压力销而与致动器钢性连接。
在喷射阀中也已经应用了压电致动装置或磁致伸缩致动装置以致动一个内部液压控制阀。例如，在美国专利N0.5,819,710(‘710专利)中公开了一种喷射阀，在该喷射阀中利用了一个伺服阀。伺服阀是由一个致动部件致动的，该致动部件可以是一个压电块或一个磁致伸缩材料。控制致动部件可轻轻地关闭伺服阀以减小磨损且增大使用寿命。根据‘710专利，伺服阀致动部件可与一个插入螺栓或螺杆配合，以补偿致动器和喷射器壳体之间的热膨胀差。(参见第4栏25-48行)。
美国专利No.5,845,852(‘852专利)公开了另一种喷射器，该喷射器使用一个压电致动器操纵一个内置三通液压控制阀，以开启和闭合主喷射单向阀。‘852专利描述了一种通过自锁预加载组件的中介作用的压电致动器。该自锁预加载组件具有三种功能(I)补偿尺寸变化和/或尺寸缺陷；(II)消除一些由燃油压力引起的向上的作用力；(III)对压电块进行预加载以达到良好的性能。
同样，美国专利No.5,779,149描述了一种利用压电致动器的喷射器，该压电致动器通过一个液压放大器的中介作用而作用在一个液压控制阀上，液压放大器用于放大致动器的运动。液压控制阀可使主喷射阀开启和闭合，以计量喷射的燃油量。
使用压电致动器或磁致伸缩致动器来操纵控制阀存在的一个问题是，这种布置需要液压流体的中间作用。所述控制阀顺次控制液压流体的流动来操纵一个喷射阀。由液压流体的运动引起的任何滞后均引起喷射器的致动滞后。因此，就需要通过致动器直接致动喷射器而不需要产生任何致动力的中间主动液压操纵器。主动的液压操纵系统的另一个缺点在于需要从一个液压缸中供应及排放液压流体。当发动机所用的主要燃油为柴油时，可将柴油作为液压流体。但是，当发动机的主要燃油为汽油时，需要一个独立的液压流体系统操纵依靠液压致动的喷射器。
概述喷射阀将燃油喷射入内燃机的燃烧室中。喷射阀包括(a)一个阀壳体，该壳体包括一个燃油入口；与燃油入口流体相连的一个内腔；一个喷嘴，该喷嘴包括喷嘴孔，所述喷嘴孔提供了从内腔至燃烧室的一个流体通道；(b)布置在阀壳体中的一个阀针，其中，阀针可在一个闭合位置和一个开启位置之间运动，在闭合位置处，阀针的密封端与阀座相接触，以从喷嘴孔开始对内腔进行流体密封；在开启位置处，阀针的密封端与阀座相分离，这样内腔就与喷嘴孔流体连通，其中，阀针提升的距离与密封端远离阀座而运行的距离相等；(c)一根与阀针相关联的针簧，其中，针簧向阀针施加一个闭合力，以将阀针偏压入闭合位置中；(d)与阀针相关联的一个致动器组件，其中，致动器组件可被激励向阀针施加一个大于闭合力的开启力，以将阀针移动至开启位置；和(e)一个液压连接组件，该液压连接组件包括一个具有一定流体厚度的液压连接件，通过该液压连接件传送开启力和闭合力，其中，液压连接件的厚度可相应于喷射阀部件之间尺寸关系的变化进行调节，从而在激励致动器组件时保持所需的阀针提升距离。
在一个优选的实施例中，液压连接件的厚度相应于由喷射阀部件的热膨胀差和/或对部件的磨损所引起的尺寸关系的变化而自动调整。液压连接组件最好包括一个密封的液压缸，在液压缸中布置有一个活塞和液压流体。活塞可以是阀针的一个整体形成的部分。
致动器组件最好包括一个磁致伸缩部件或一个压电块。当致动器组件包括一个磁致伸缩部件时，围绕磁致伸缩部件布置一个电线圈和在电线圈周围布置一个磁通管。在优选的实施例中，致动器组件可布置在喷射阀的内腔中。在一个特别优选的实施例中，致动器组件为管形，且布置在围绕阀针的圆柱形部分的一个环形空间中。管形致动器组件的一端可通过一个电极(pole)而保持在相对于阀壳体的一个固定位置处，所述电极支撑磁致伸缩部件。该电极附加在壳体上，在致动器组件被激励时阻止磁致伸缩部件的被支撑端的运动。
当喷射阀致动器组件利用一个磁致伸缩部件或一个压电块时，致动器组件是可控的，以控制所需的提升距离在最大提升距离的10％和100％之间。也就是说，根据需要可对被传送至致动器组件的控制脉冲进行调制，从而提供全部或部分提升距离。当致动器组件包括一个磁致伸缩部件时，控制脉冲是被传输至电线圈的调制电流，所述电线圈产生磁场。当致动器组件包括一个压电块时，控制脉冲是施加到压电块上的一种调制电压。
本喷射阀特别适宜于喷射气体燃料，这是因为该喷射阀调制阀针运动的能力，可被有益地用于减缓阀针的闭合动作，以减小闭合时的冲击。在喷射液体燃料时，通过较薄液体燃油层的移动来削弱闭合时的冲击。当燃料为气体燃料时，可在大于约2000psi(约为13.8MPa)的压力下将气体燃料喷射入燃烧室中。
适用于本喷射阀的磁致伸缩材料包括由Etrema Products Inc制造的一种已知ETREMA Terfenol-D磁致伸缩合金材料。ETREMA Terfenol-D磁致伸缩合金是一种由元素铽、镝和铁构成的金属合金。
在一个优选实施例中，由磁致伸缩致动器组件或压电致动器组件致动的阀针是可控的，以在少于约250微秒的时间内在闭合位置和开启位置之间运动。
对于一个给定长度的磁致伸缩致动器或压电致动器来说，为个增大阀提升的范围，可将压缩力施加到磁致伸缩部件或压电块上。通过对磁致伸缩部件和压电块预加载，施加的各个单元的磁场或电压可增大净移动量。因此，可利用一个压缩弹簧部件施加压缩力，以对磁致伸缩部件或压电块进行预加载。在一个优选的实施例中，压缩弹簧部件包括至少一根盘簧(也称为Beleville弹簧或Beleville垫圈)。
喷射阀壳体可包括相互结合的多个部分，以提供一个流体密封的阀体。例如，阀壳体可包括一个具有可拆卸阀盖的中空主壳体，该可拆卸的阀盖可接触布置在主壳体内的阀部件。阀壳体还可包括一个独立的阀顶，这样，当阀顶破损时可将其更换。此外，只有阀项的一部分直接暴露到燃烧室内部。在这种情况下，阀顶可由具有较好耐久性的材料制成，当阀顶直接暴露在希望在燃烧室中出现的工况中时，阀顶可提供较好的耐久性。
设计液压连接件以补偿阀部件之间的尺寸关系的变化、包括由热膨胀差所引起的变化时，通过为阀部件选择具有相似热膨胀系数的材料，可减少对液压连接件的要求。
用于内燃机的一种优选燃油喷射阀包括(a)一个阀壳体，该阀壳体包括一个燃油入口；与燃油入口流体相连的一个内腔；包括有一个阀座和一个喷嘴孔的喷嘴，喷嘴孔提供了一个从所述内腔至燃烧室的流体通道；(b)一个阀针，阀针包括一个具有密封端的圆筒部分，和一个具有预加载端部的活塞部分，阀针布置在阀壳体中，其中，阀针可在一个闭合位置和一个开启位置之间运动，在闭合位置处，阀针的密封端与阀座相接触，以从喷嘴孔开始对内腔进行流体密封；在开启位置处，阀针的密封端与阀座相分离，这样内腔就与喷嘴孔流体连通，其中阀针提升的距离与密封端远离阀座而运行的距离相等；(c)一根与阀针的预加载端相关联针簧，其中针簧被压缩向针阀施加一个闭合力，以将阀针压入闭合位置中；(d)一个致动器组件，其中该致动器组件可被激励，以向阀针施加一个大于闭合力的开启力，将阀针移动至开启位置；致动器组件包括围绕阀针的圆柱形部分布置的一个管状磁致伸缩部件；围绕磁致伸缩部件布置的一个电线圈；
围绕电线圈布置的一个磁通管；用于支撑致动器组件的一个支撑件，该支撑件可作为一个电极，为磁致伸缩部件的一端提供一个相对于阀壳体的固定位置；(e)一个液压连接组件，该液压连接组件包括围绕阀针的活塞部分布置的一个密封液压缸，液压流体置于液压缸内，其中，通过一定厚度的液压流体传送施加到阀针上的开启力和闭合力，液压流体用作为液压连接件，其厚度可相应于喷射阀部件之间尺寸关系的变化而自动调整，从而在激励致动器组件时可保持所需的阀针提升距离。
另外，本发明还提供了一种利用定形的波形控制喷射阀的方法，该方法利用了一个磁致伸缩致动器组件或一个压电致动器组件，该方法顺次包括如下步骤(a)通过施加一个控制脉冲来启动喷射过程，并通过将控制脉冲的值增大至一个峰值加速阀的开启，所述峰值大于为达到要求的提升距离所需要的脉冲值(所述峰值可达到的幅度高于所需提升距离要求的值)；(b)将控制脉冲从峰值减小至一个需要的值，以提供所需的提升距离；(c)将控制脉冲减小至一个负值以加速阀的闭合；(d)将控制脉冲增大至一个正值以减缓阀的闭合，从而减小阀针对阀座的冲击力；(e)将控制脉冲减小到0以闭合所述阀。
该方法还包括确定波形以调制阀针的运动，例如在需要减小的燃油流时只进行部分提升。例如，在喷射过程中，通过将控制脉冲瞬时减小至低于需要的提升距离所要求的脉冲值，以减小控制脉冲的平均值就可实现上述结果。最好是在将控制脉冲增大至峰值之后，立即对控制脉冲的减小进行时控，这样，减小的控制脉冲有助于停止阀针的开启动作。
当致动器组件利用一个磁致伸缩部件时，控制脉冲是被引导至电线圈的一个调制电流，该电线圈可产生一个在致动方向中定位的磁场。当致动器组件利用一个压电块时，控制脉冲为施加到压电块上的一种调制电压。
在优选的方法中，使阀针在闭合位置和所需的开启位置之间运动需要的时间可尽量短约为175微秒。但是，更典型的情况为使阀针在闭合位置和所需的开启位置之间运动需要的时间可缩短约为250微秒。
本发明喷射阀的一个优点在于利用它可在一个周期的后期以较高的压力将燃油直接引导入内燃机中。例如，可利用本发明的喷射阀将气体燃料在约2000psi和5000psi(约为13.8Mpa和34.5MPa)之间的压力下喷射入内燃机的燃烧室中。可利用本发明的喷射阀在更高的压力下将液体燃料引导入内燃机中。
本喷射阀的另一个优点在于提供一种喷射阀，它消除了对一个主动液压操纵器的需要及对相关的高压液压系统的需要，所述高压液压系统用于产生致动力以致动喷射阀。常用的主动液压操纵器与本发明的液压连接件是不同的，本发明的液压连接件可描述为一个被动液压连接件，这是因为被密封在液压连接组件中的密封液压流体只传送致动力，而不产生致动所述阀的致动力。另外，液压连接件的目的是为相反的致动力提供一个加载路径，所述相反的致动力是起初由至少一个弹簧部件和致动器组件产生的。消除对常用主动液压操纵器的需要的益处在于消除了相关的主动液压系统。常用的主动液压致动器例如那些利用迅速增大及降低液压流体的压力，需要与高压液压流体源相连接以致动的喷射阀，且需要用于控制液压流体流入及流出主动液压操纵器的阀。主动液压致动器采用流入及流出液压缸的液压流体，当液压缸与高压液压流体源流体相连时，流入液压缸的高压液压流体产生用于移动阀针的致动力。当液压缸与高压液压流体源相分离时，除去致动力且从液压缸中排出液压流体。这种类型的主动液压致动器的一个缺点在于存在与液压流体流入和流出液压缸相关的时间迟滞。
被动液压连接件的另一个优点在于可利用它来校正热膨胀差、磨损及制造和组装公差中所允许的尺寸变化。本申请披露的被动液压连接件通过响应这些影响因素而本身进行自动调节，以允许液压流体在液压活塞的相对侧之间进行运动就可实现上述优点。这样，致动器组件重新回零，以确保保持所需的阀针提升距离。
利用直接致动喷射阀的一个优点在于阀针在开启位置和闭合位置之间运动时，可利用一个定形的控制脉冲控制阀针的加速和减速。例如，当利用一个磁致伸缩致动器时，可控制施加到电磁线圈上的电流，以一定的方式减小电流，从而轻轻地关闭所述阀。同样，当利用一个压电致动器时，可控制施加到压电块上的电压，通过初始提供一个过量电压(即该电压高于为提供必要的移动量所需要的电压)来加速阀的开启。这样，可利用控制脉冲控制磁致伸缩致动器或压电致动器的膨胀和收缩，从而控制阀针的运动。控制阀针的减速的一个优点在于在阀关闭时可减小阀针对阀座的冲击，以减小对阀部件的磨损，从而提高阀部件的耐久性。
本喷射阀的另一个优点在于可将控制脉冲定形，以可重复的方式对阀针进行部分提升。可通过对控制脉冲进行定形，控制施加到相应磁致伸缩式或压电式致动器组件上的电流或电压的量，从而控制提升的量。
本申请公开的喷射阀的另一个优点在于实际的阀针提升距离很小(一般远小于0.1毫米)，这样，与为达到较大阀针提升距离而设计的阀相比，开启本申请喷射阀所需的阀针的速度就非常小。
下文中将要描述的一个直接致动喷射器就提供了上述这些和其他优点。


图1为直接致动燃油喷射阀的一个优选实施例的剖视图；图2为图1中的燃油喷射阀的上部分的放大视图；图3为图1中的燃油喷射阀的下部分的放大视图；图4为对施加到图1所示的燃油喷射阀致动器组件上的电流进行控制的一种优选方法的时间图表；图5为对施加到燃油喷射阀的压电致动器组件上的电压进行控制的一种优选方法的时间图表。
具体实施例方式
图1至图3显示了用于内燃机的一个直接致动燃油喷射阀100的一个优选实施例。喷射阀100包括长形的阀壳体102，阀壳体102与阀盖104和阀顶106相配合，提供了一个流体密封的阀体。可利用密封件来保证组装的阀体是液体密封的。阀盖104包括至少一个入口108，燃油通过入口108进入阀体，阀顶106包括至少一个喷嘴孔110，燃油通过喷嘴孔110排出阀体。阀顶106还包括阀座112。
在优选的实施例中，在图3所示的放大视图中更清楚地显示了阀100的结构，阀座112是倾斜的，以使沿着密封区域(在该区域阀针114与阀座112相接触)的流体流量最大化。可对阀针114的端面和阀座112之间的角度差进行选择，这样在气体朝着阀顶106的中间喉部向内运动时，所述流动区域不减小，所述气体进入喷嘴孔110。
阀针阀针114布置在阀体的内部，通过阻止燃油流过阀座112而流向喷嘴孔110，与阀座112相接触以封闭喷射阀100。在图1所示的实施例中，阀针114包括阀杆114a，阀杆114a通过在阀体中向内移动而提升，从而远离阀座112以便移动入开启位置。阀杆114a是一个圆柱形的部件，由于阀的提升距离通常较小(例如约为65微米)，因为流动面积(A)与阀杆的直径成比例(即A＝II×直径×提升距离)，所选择的阀杆114a的直径应确保穿过阀开口的流量足够。因此，可通过较大的直径来补偿较小的提升距离。在图1所示的优选实施例中，阀针114还包括独立的活塞部件，该活塞部件可与阀针114相结合以产生相同的效果。在另一种选择的结构中(未显示)可利用一个提升型阀顶，这样阀针的向下运动造成使其开启。在该选择的结构中，致动器组件最好位于阀针114之上，因此，当致动器被激励以开启喷射阀时就向阀针114施加一个向下的作用力。
弹簧组件弹簧组件将阀针114偏压入闭合位置中。在一个优选的结构中，弹簧组件包括至少一个针簧116，该针簧116向阀针114提供一个闭合力。参考图1所示的实施例，弹簧组件还包括一个针簧引导件118，引导件118用于将闭合力从针簧116传送向阀针114。针簧116在针簧调节器120的作用下保持为压缩状态，针簧调节器120与针簧壳体122相配合，为阀壳体102提供了一个负载路径。在一种优选的结构中，相应的螺纹表面将针簧调节器120结合到针簧壳体122上，将针簧壳体122结合到阀壳体102上。在针簧调节器120已转动以压缩针簧116而对针簧116施加所需的预加载力之后，就将锁止螺帽124拧紧，阻止针簧调节器120松动。通过对针簧116进行压缩或预加载的弹性可产生闭合力，将阀针114保持的闭合位置。
致动器组件可激励致动器组件以产生开启力，开启力与由弹簧组件提供的闭合力相反且大于闭合力。在图1所示的实施例中，致动器组件包括一个部件如一个磁致伸缩材料部件或一个压电块，当该部件暴露在磁场中或受到电压的作用时，它就在开启力的方向膨胀或收缩。
在图1所示的实施例中，致动器组件是一个磁致伸缩致动器，该致动器包括磁致伸缩部件130；围绕磁致伸缩部件130的外径布置的电线圈132；围绕电线圈132布置的一个磁通管134。磁通管134可由普通的碳素钢制成，其上具有纵向槽以破坏涡流电流。电流被供应至电子配件136。电导线(未显示)将电流从电子配件136传导向电线圈132。当将电流施加到电线圈132上时，就产生了穿过磁致伸缩部件130、电极138、140、142和磁通管134的磁通量。电极138、140和142是由合适的材料制成的，如碳素钢(例如CS1018)或具有低磁滞的钢。电极138是一个“固定”电极，它对磁致伸缩部件130、电线圈132和磁通管134的第一端提供结构性的支撑。电极140与磁致伸缩部件130的第二端相关联，而电极142与电线圈132和磁通管134的第二端相关联。电极140是一个“内”电极，而电极142是围绕内电极140同轴布置的“外”电极。电极142、电线圈132和磁通管134通过锁止螺帽144保持在其位置中，锁止螺帽144最好旋拧入阀壳体102的内壁中。电极140和142相互配合，在致动器组件的第二端提供一个磁通路径，但是，电极140可相对于电极142运动，磁致伸缩部件130可在定向的磁场方向中延伸，这样，致动器组件就提供了一个与弹簧组件的闭合力反向的开启力。
在施加一个磁场时，最好将一个预压缩力施加到磁致伸缩部件130上以扩大延伸幅度。对磁致伸缩部件130的预压缩增大了施加的单位磁场的净位移量。同样，当利用压电部件替代磁致伸缩部件130时，预压缩也增大了施加单位电压的压电部件的净位移量。可利用一根弹簧如盘簧150来提供预压缩力。可利用另一种压缩元件来替代盘簧150以提供预压缩力，例如，利用螺旋弹簧或具有同样弹簧力的另一种类型的弹簧、液压活塞和压缩元件的组合。在施加预压缩力时，致动器的位移量可增加至磁致伸缩部件130的总长度的约0.13％。但是，为增加温度可减小所述位移量。例如，在往复式发动机油缸端部处于通常温度时，实际的位移量约为预压缩磁致伸缩部件130的长度的0.065％.
磁致伸缩部件的尺寸是根据喷射阀100的要求而确定的。例如，如果设计的喷射阀100提供的提升距离至少约为65μm，确定的磁致伸缩部件130的长度至少约为100mm。此外，所选择的环形磁致伸缩部件130的壁厚可提供足够的力，以克服用于将喷射阀100保持在闭合位置中的所有相反的力。如果环形磁致伸缩部件130的截面面积不足够，即使在电线圈132被完全激励的情况下，所述相反的力也可减小或阻止磁致伸缩部件130的纵向移动。这种已知的模式被称为“阻止力”模式。因此，作用在阀针114上的闭合力的大小就决定了磁致伸缩部件130的截面积。
图1中所示的磁致伸缩部件130、电线圈132和磁通管134可利用一个压电块(未显示)来取代。利用电子配件136将电压引导至压电块。当将电压施加到压电块上时，压电块膨胀而产生用于开启喷射阀100的推动力。
如图1所示，致动器组件也可定位在阀壳体102中且围绕阀杆114a同轴布置，致动器组件占据阀杆114a和阀壳体102之间的环形空间的一部分。因此，致动器组件就可暴露在燃油中，所述燃油从入口108被引导穿过中空的阀体到达喷嘴孔110。
液压连接组件由致动器组件产生的开启力通过液压连接组件传输至阀针114。液压连接组件包括液压缸160，液压缸160的设置围绕液压活塞114b成紧配合关系，液压活塞114b可在液压缸160内的纵向中自由运动。如上所述，在图1所示的实施例中，液压活塞114b是阀针114的整体形成的一部分，液压缸160的侧壁帮助引导阀针114在致动方向中运动。利用液压缸盖162、密封件166、168和169将一种黏性液压流体密封在液压缸160中(参见图2)。密封件166和168分别允许阀针114相对于液压缸盖162和液压缸160运动。可利用已知的密封件，如弹性O形环密封件、密封圈、金属密封件或隔膜/凸面式密封件。
液压活塞114b的外径和液压缸160的内径之间的径向间隙非常小(按要求为50至250微米)。所述间隙的需要尺寸根据所选择的液压流体的黏度而定。间隙中的液压流体由哈根-泊肃叶流(Hagen-Poiseuille Flow)控制，液压流体和间隙最好是经选择的，这样传输开启力通过液压流体时，在燃油喷射的时间跨度中流经间隙的液压流体是非常少的。此外，液压流体最好具有足够高的黏度和体积系数，这样，当致动器组件的致动将阀开启力迅速传送过液压缸160和液压活塞114b的底部之间的液压流体时，液压流体就起到不可压缩的固体作用。为达到运行的一致性，液压流体最好是一种非常稳定的流体，其在较宽的温度范围内(即在液压缸160内所期望的运行温度)保持其所需的性能。适当的液压流体是例如常用机油如15W40级机油，或合成润滑剂如在黏度范围内的DuPont“Krytox”油脂。Krytox是一种全氟聚醚(PFPE)合成润滑剂，它可与增稠剂相混合而形成油脂。这些类型的液压流体也有助于对密封件166和168进行润滑。不同的喷射阀可具有尺寸不同的活塞和间隙。这样就可考虑单个喷射阀的设计特征来选择液压流体。
在喷射阀100被关闭即停止时，闭合力是通过液压缸盖162和液压活塞114b之间的液压流体传送的。通常，在发动机运行过程中，喷射阀100在大部分时间里(通常超过90％的时间)是关闭的。因此，在喷射过程中，液压流体有足够的时间通过流过间隙而将其本身重新分配，这样，液压缸160相对于活塞114b运动而自动“回零”。初始的零位置即为在喷射阀100组装之后的液压活塞114b在液压缸160中的位置。由于部件在制造公差之内的长度变化的原因，因此，对于所有喷射器来说，初始零位置可能不同。另外，在运行过程中，所述零位置根据如部件磨损或热膨胀对部件之间的尺寸关系的影响而自动调整。
由于部件之间的热膨胀系数不同或热分配不均匀，可引起不同的热膨胀或收缩。即使将喷射阀100的部件如磁致伸缩部件130、阀针114和阀壳体102设计得与其他部件的热膨胀率合理匹配，但由于阀针的提升量和引起阀针提升的部件的移动量太小，也应考虑热膨胀和收缩的影响，以保证达到所需要的阀针提升距离。如果喷射阀暴露在较宽范围的温度中，热膨胀和收缩的影响扩大。对于在车辆中应用的喷射阀来说，非正常经受的温度范围为-40℃(在较冷的天气中)和+125℃(当发动机运转时)。不平均的温度分配是由许多因素的影响造成的，这些因素包括如(1)在线圈132中产生的热量；(2)在致动器组件中产生的磁滞；(3)通过阀顶106从液压缸头或内燃机传出的热量。如果不将这些因素的影响考虑在内，不同的热膨胀或收缩对阀针114移动量的总的影响将大于目标提升量。
概括地说，液压连接组件考虑了由在制造过程中和喷射阀组装的方法中允许的公差所引起的部件尺寸的变化。因此，液压连接组件通过降低喷射阀部件制造中的精密公差要求来降低制造成本。此外，在运行过程中，考虑到如由部件磨损或不同的热膨胀或收缩所引起的喷射阀部件之间尺寸关系的变化，液压连接组件在喷射过程之间可自身进行自动调整。
运行概述当喷射阀100处于闭合状态时，由针簧116产生将阀针114压靠在阀座112上的闭合力，闭合力通过针簧引导件118传输至阀针114。优选利用一个机械弹簧部件如图中所示的螺旋弹簧提供闭合力，这样，喷射阀100的失效模式将处于闭合位置中。也就是说，如果致动组件没受激励或失效，喷射阀100将仍处于闭合位置中。
为开始一个喷射过程，通过将电流传导至电线圈132来激励致动器组件。这样，就产生了流入磁致伸缩部件130、电极138、140、142和磁通管134的磁通量。在磁场的影响下，磁致伸缩部件130在长度上(在磁场方向)膨胀。由于电极138处于一个固定位置，磁致伸缩部件130就在液压缸160的方向中膨胀。由磁致伸缩部件130的膨胀所产生的开启力传输过内电极140、液压缸160的基座、液压流体164b(参见图2)，最后穿过活塞114b，液压流体164b保存在液压缸160的基座和液压活塞114b的一个平面表面之间，活塞114b在所示的实施例中与阀针114形成为一个整体。开启力大于由针簧116的压缩产生的闭合力。液压缸160的移动也将盘簧150进一步压缩。
如上所述，由于阀的致动是突然发生的(要求为20μs)，因此，液压流体164b没有时间流过活塞114b和液压缸160之间的狭窄间隙。相反，液压流体164b起到一个固体的作用，并将磁致伸缩部件130的运动通过活塞114b传向阀针114，从而使阀针114提升离开阀座112。因为喷射阀100将开启较短的一段时间(一般小于3毫秒)，只要液压流体164的黏度是适当选择的且所述间隙的尺寸是适当确定的，在喷射阀100开启时流过间隙的液压流体164的量是非常少的，这样，由液压流体的流动产生的移动量远小于阀针114的总移动量。
阀针114的运动由引导件180引导至阀顶106的附近(参见图3)。图3显示了围绕阀杆114a的环形空间182。在喷射过程之间，燃油保存在环形空间182中。当喷射阀100开启时，燃油流过环形空间182、阀部件之间的其他间隙和布置在确定的阀部件中的开口，所有这些空间、间隙和开口均相协作而使燃油从入口108自由地流到喷嘴孔110(该喷嘴孔110是从喷嘴喉部径向定位的多个喷嘴孔之一)。图1至图3显示了为流过部件如针簧壳体122、锁止螺帽144和电极138的液体提供流体通道的开口。图3还显示了阀壳体102和阀顶106之间的密封件184、和液压缸端面密封件186，该密封件186在喷射阀100和发动机液压缸端部(未显示)之间进行密封。
当燃油流过阀壳体102时，燃油使致动器组件冷却。布置的燃油流动路径最好对电线圈132的内径表面和磁致伸缩部件130的外径表面进行最大程度的冷却。此外，可引导小百分比的燃油流使其在磁致伸缩部件130的内径和圆柱形阀杆114a的表面之间流动，所述的小百分比可为燃油流的约20％。在以这种方式利用燃油冷却致动器组件时，这种热模式预计温度的升高量少于10℃。
为在喷射过程的末期关闭喷射阀100解除对电线圈132的激励，从而使磁致伸缩部件130收缩。当阀针114从开启位置移动向闭合位置时，针簧116和盘簧150产生闭合力。针簧116产生的闭合力再次通过针簧引导件118传送至阀针114。在开启位置中，膨胀的磁致伸缩部件130压缩盘簧150，这样在闭合时，盘簧150减压而向下推动液压缸160并压缩磁致伸缩部件130。盘簧150也可通过产生一个闭合力而向阀针114提供额外的闭合力，由盘簧150产生的闭合力通过液压缸盖162、液压流体164a和液压活塞114b进行传送。
当阀针114从开启位置运动至闭合位置时，所耗费的时间仍然少于250微秒，最好少于200微秒，这样，液压流体164仍没有时间流过活塞114b和液压缸160之间的间隙。因此压力就积聚在活塞114b的上平面上的液压流体164a中。
阀针114一旦与阀座112相接触，喷射阀100就被关闭。在喷射阀100关闭时，液压连接组件自动自我调节，因此在考虑温度、磨损和阀针114相对于液压缸160的任何微小运动的影响的情况下，对液压缸160相对于液压活塞114b的位置进行校正，所述阀针114相对于液压缸160的任何微小运动可能在阀针114处于开启位置时发生。所述自动调节是通过液压流体164从液压活塞114b的一侧向另一侧移动实现的，而盘簧150可确保液压缸160和阀针114在所有的时间均保持直接接触。
控制方式在图4和图5中绘制了为控制直接致动的喷射阀和相应的致动器移动的波形图表。图中所示的波形显示出控制脉冲可利用几个零件分别控制磁致伸缩部件或压电部件的运动。
在图4中，波形A代表引导至一个电线圈的电流，该电流用于激励包括磁致伸缩部件在内的一个致动器。磁场的强度与引导至电线圈的电流量成正比。为促使阀迅速开启，电流最好首先升高至电流I1，由于较高的电流产生较强的磁场，可利用该磁场加速磁致伸缩部件的膨胀。在主要喷射过程中将电流降低至电流I2。与初始电流I1相对应的电流的振幅比电流I2的振幅高，电流I2实际上是完全开启喷射阀所需要的电流。喷射阀也可部分开启，例如，在初始电流峰值之后将电流减小至一个小于电流I2的值。如虚线波形B所示，电流被暂时转换极性而成为负电流I3，可选择控制脉冲形状以将平均电流降低至标准电平，在该电平可迅速实现部分提升，这样进行的流动控制优于纯粹通过脉冲宽度调制进行的流动控制。也就是说，通过控制阀针的移动量(提升距离)及喷射过程的持续时间就可实现较好的流动控制。
阀的关闭可通过最初将电流的极性转换为负电流I4来选择性地加速。在阀针与阀座相接触时，为减小冲击及随之产生的阀针的磨损，如波形A所示，可将电流瞬时增大为正电流I5以减缓阀的关闭动作。在用于控制阀针对阀座的冲击的一种选择方法中，在不转换电流的方向的情况下可更缓慢地减小电流，就如图中的点划线C所示的那样。最后，在喷射阀关闭且电流回复为零时就完成了喷射过程。
线形图表D和E分别显示了阀在完全开启和部分开启的喷射过程中阀针的移动情况。图D与由波形A控制的喷射过程相对应。图D显示了在喷射过程开始时阀针迅速移动至完全开启位置。在所显示的例子中，在喷射过程的大部分时间，即图D中的基本为平坦的部分所代表的时间里，喷射阀依然处于完全开启的位置。但是，根据液压流体的黏度和液压活塞与液压缸之间的间隙的尺寸，图D的平坦部分具有一个微小的坡度，该坡度是在喷射过程中由穿过间隙的液压流体的流动产生的。
当喷射阀关闭时，闭合动作非常迅速，就如在喷射过程末期附近的线D的急剧下降的坡度所示的那样。但是，与波形A末期附近的瞬时性正电流相对应，当阀回复至全闭合位置时，图形D的坡度变得平缓，这说明波形A的形状是如何用于减少由阀针对阀座的冲击所产生的磨损的。图E与在将初始电流峰值减小至一个低于电流I2的电流之后的波形(未显示)相对应，这样，喷射阀只是部分开启。图E也显示出喷射过程的持续时间可通过改变波形的长度或持续时间变化。与由图D所代表的喷射过程相比，图E代表的喷射过程的阀提升距离较小，因此，其初始电流峰值低于波形A的初始电流峰值。由图E的更平缓的坡度(与图D的急剧的坡度相比)所代表的闭合动作与一个波形相对应，该波形的形状和另一个波形C的形状相似的。
本领域的技术人员可认识到通过增大控制波形的坡度可减小开启或闭合喷射阀所需的时间，或通过减小波形的坡度可增大开启或闭合喷射阀所需的时间。这样就可通过操纵控制波形的形状，产生所需的阀针运动速度及阀针相对于阀座的移动量(以控制提升距离)。
在图5中，波形G代表一个可用于激励压电致动器的电压控制脉冲。通过下面的描述可明确压电致动器的优选控制方式利用了与磁致伸缩致动器的上述优选控制方式相同的原理。为促使阀的快速开启，最好首先将电压升至峰值电压V1，这是因为较高的电压可用来加速压电材料的膨胀。在主要喷射过程中将电压降低至电压V2。电压V1与幅度远高于电压V2的一个电压相对应，电压V2实际上是完全开启喷射阀所需的电压。喷射阀也可部分开启，例如，在初始电压峰值之后将电压减小至一个低于电压V2的值就可部分开启喷射阀。如虚线波形H所示，该虚线波形H暂时将电压降低至一个负电压V3，可选择性地将控制脉冲定形以将平均电压降低至标准电平，在该标准电平可迅速实现部分提升，这样进行的流动控制优于纯粹通过脉冲宽度调制进行的流动控制。也就是说，通过控制阀针的移动量(提升距离)及喷射过程的持续时间就可实现较好的流动控制。
阀的关闭可通过最初将电压降低为负电压V4来选择性地加速。在阀针与阀座相接触时，为减小冲击及随之产生的阀针的磨损，如波形G所示，可将电压瞬时增大为正电压V5以减缓阀的关闭动作。与电流波形C的形状相似，电压波形I的形状代表在闭合时用于减少阀针对阀座的冲击的另一种方法。最后，在喷射阀关闭且电压回复为零时就完成了喷射过程。
线形图J和K分别显示了在各个喷射过程中的阀针的移动量。图J与由波形G控制的喷射过程相对应。图J显示了在喷射过程开始时阀针迅速移动至完全开启位置。在所显示的例子中，喷射过程的大部分时间即图J中的基本为平坦的部分所代表的时间里，喷射阀仍处于完全开启的位置。但是，根据液压流体的黏度和液压活塞与液压缸之间的间隙的尺寸，图线J的平坦部分具有一个微小的坡度，该坡度是在喷射过程中由穿过间隙的液压流体的流动产生的。
当喷射阀关闭时，闭合动作非常迅速，就如在喷射过程末期附近的线J的急剧下降的坡度所示的那样。但是，与波形G端部附近的瞬时性正电压相对应，当阀回复至全闭合位置时，图线J的坡度变得平缓，这就说明了波形G的形状是如何用于减少由阀针对阀座的冲击所产生的磨损的。图K与图J相似，其与在初始电压峰值将电压减小至低于电压V2的波形(未显示)相对应的那一部分图线除外，在该部分图线中，喷射阀只是部分开启。
图4和图5中的波形的时间跨度在100-5000微秒的范围内，对于大部分喷射过程来说该时间跨度一般在250-2000微秒的之间。
上述直接致动喷射阀和控制方法的结合可产生多种益处，包括-消除了常用液压致动喷射阀所需要的液压流体供应系统。例如，通过消除常用液压致动喷射阀所用的液压流体供应和返回通道及三通阀，因此简化了喷射阀的结构。
-自动补偿喷射阀中的热膨胀差和由于拖长的运行所引起的磨损，以及由制造公差的限制而产生的较小差异。
-实现了用于容纳加长的磁致伸缩部件或压电部件的一种紧凑的同心阀针/致动器组件结构。
-提供了一种利用控制方法的装置，该控制方法可对燃油流进行节流及减小阀座的磨损。该装置具有控制提升距离的能力，使在较低的负荷下减少喷射及减少预先混合的燃料。例如，利用一个磁致伸缩致动器或一个压电致动器就可将阀针的运动控制在约10％-100％之间。对于较低负荷的工况来说，能够减少进入燃烧室的燃料流量是很重要的，这是由于不能燃烧的过量燃油可降低运行效率且产生较高的排放。
-通过利用轴对称的圆柱形部件和不苛求喷射阀部件之间的公差，因此可提高制造能力。
-由于致动组件可对阀针进行更好地控制，这样就改进了阀的运行。例如，可利用喷射阀喷射气体或液体燃料。当所述燃料为气体时，在关闭时就非常需要减慢阀针的运行，这是因为没有液体燃油来减缓阀针对阀座的冲击。通过将施加到致动器上的控制脉冲波形定形，就可减缓喷射阀的闭合动作而减小阀针对阀座的冲击。
上面对本发明的具体元件、实施例和应用进行了显示和描述，当然应认识到本发明并不仅限于此，因为本领域的技术人员在不脱离本发明的实质和范围的情况下、特别是在依据上述技术内容的情况下可对本发明进行变更。
权利要求
1.一种用于将燃油喷射入内燃机的燃烧室中的喷射阀，所述喷射阀包括(a)一个阀壳体，该壳体包括一个燃油入口；一个与所述燃油入口流体相连的内腔；一个喷嘴，该喷嘴包括喷嘴孔，所述喷嘴孔提供了从内腔至所述燃烧室的一个流体通道；(b)一个布置在阀壳体中的阀针，其中所述阀针可在一个闭合位置和一个开启位置之间运动，在闭合位置，所述阀针的密封端与阀座相接触，以从所述喷嘴孔开始对内腔进行流体密封；在开启位置，所述阀针的密封端与阀座相分离，这样所述内腔就与喷嘴孔流体连通，其中阀针提升的距离与所述密封端远离所述阀座运行的距离相等；(c)一根与阀针相关联的针簧，其中所述针簧向阀针施加一闭合力，以将所述阀针偏压入闭合位置；(d)与阀针相关联的一个致动器组件，其中致动器组件可被激励，以向所述阀针施加一大于闭合力的开启力，将阀针移动至所述开启位置；(e)一个液压连接组件，该液压连接组件包括一个具有一定流体厚度的液压连接件，通过该液压连接件来传送所述开启力和闭合力，其中所述液压连接件的厚度可相应于喷射阀部件之间的尺寸关系的变化而调节，从而在致动所述致动器组件时保持所需的阀针提升距离。
2.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述液压连接件的厚度相应于由热膨胀差所引起的尺寸关系的变化自动调整。
3.根据权利要求2所述的喷射阀，其中，所述液压连接件的厚度相应于由喷射阀部件的磨损所引起的尺寸关系的变化自动调整。
4.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述液压连接组件包括一个密封的液压缸，该液压缸具有一个活塞及置于所述液压缸中的液压流体。
5.根据权利要求4所述的喷射阀，其中所述活塞是所述阀针的一个整体部分。
6.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述致动器组件包括一个磁致伸缩部件或一个压电块。
7.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述致动器组件包括一个磁致伸缩部件、围绕磁致伸缩部件布置的一个电线圈及围绕所述电线圈布置的一个磁通管。
8.根据权利要求7所述的喷射阀，其中所述致动器组件布置在所述内腔中。
9.根据权利要求8所述的喷射阀，其中所述致动器组件是管形的，且布置在围绕阀针的一个圆柱形部分的环形空间中。
10.根据权利要求9所述的喷射阀，其中所述管形致动器组件的一端由附加到所述阀壳体上的一个电极支撑。
11.根据权利要求6所述的喷射阀，其中所述致动器组件是可控的，以将所需要的提升距离控制在最大提升距离的10％至100％之间。
12.根据权利要求11所述的喷射阀，其中通过分别控制被引导至磁致伸缩致动器组件上的电流，或施加到压电致动器组件上的电压来控制所述提升距离。
13.根据权利要求7所述的喷射阀，其中所述磁致伸缩部件包括由元素铽、镝和铁构成的金属合金。
14.根据权利要求6所述的喷射阀，其中所述阀针是可控的，以使其在少于约200微秒的时间内在开启位置和闭合位置之间运动。
15.根据权利要求6所述的喷射阀，其中该喷射阀还包括一个向所述磁致伸缩部件或压电部件施加压缩力的压缩弹簧部件。
16.根据权利要求15所述的喷射阀，其中所述压缩弹簧部件包括至少一根盘簧。
17.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述燃料为气体燃料。
18.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述燃料在大于约2000psi(约为13.8MPa)的压力下喷射入燃烧室。
19.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述阀壳体包括多个部件，所述多个部件相互结合而提供了一个流体密封的阀体。
20.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述阀壳体、阀针和致动器组件是从具有相同热膨胀系数的材料中选择出的，以减小由温度变化所引起的所述部件之间的尺寸关系的改变。
21.一种用于将燃油喷射入内燃机的燃烧室中的喷射阀，所述喷射阀包括(a)一个阀壳体，该阀壳体包括一个燃油入口；一个与所述燃油入口流体相连的内腔；一个包括有阀座和喷嘴孔的喷嘴，喷嘴孔提供了一个从所述内腔至所述燃烧室的流体通道；(b)一个阀针，阀针包括一个具有密封端的圆柱形部分、和一个具有预加载端部的活塞部分，所述阀针布置在所述阀壳体中，其中所述阀针可在一个闭合位置和一个开启位置之间运动，在闭合位置，阀针的所述密封端与所述阀座相接触，以从所述喷嘴孔对内腔进行流体密封；在开启位置，阀针的所述密封端与所述阀座相分离，这样所述内腔就与喷嘴孔流体连通，其中阀针提升的距离与所述密封端远离所述阀座运行的距离相等；(c)一根与所述阀针的预加载端相关联的针簧，其中针簧被压缩而向所述针阀施加一个闭合力，以将阀针偏压入闭合位置；(d)一个致动器组件，该致动器组件可被激励，以向阀针施加一个大于闭合力的开启力，将阀针移动至开启位置；所述致动器组件包括一个围绕阀针的圆柱形部分布置的管状磁致伸缩部件；一个围绕磁致伸缩部件布置的电线圈；一个围绕电线圈布置的磁通管；一个用于支撑致动器组件的支撑件，该支撑件作为一个电极，并对磁致伸缩部件的一端提供一个相对于阀壳体固定的位置；(e)一个液压连接组件，该液压连接组件包括围绕所述阀针的活塞部分布置的一个密封液压缸，液压流体放置在所述液压缸内，其中通过一定厚度的液压流体来传送施加到阀针上的开启力和闭合力，液压流体作为液压连接件，其厚度可相应于喷射阀的部件之间的尺寸关系的变化而自动调整，从而在激励致动器组件时可保持所需的阀针提升距离。
22.根据权利要求21所述的喷射阀，该喷射阀还包括用于向所述磁致伸缩部件施加一压缩力的压缩弹簧部件。
23.根据权利要求21所述的喷射阀，其中所述磁致伸缩部件包括由元素铽、镝和铁构成的金属合金。
24.一种利用定形波形来控制喷射阀的方法，所述喷射阀采用一种磁致伸缩致动器组件或一种压电致动器组件，该方法顺次包括如下步骤(a)通过施加一个控制脉冲启动喷射过程，并通过将控制脉冲的值增大至一个峰值来加速阀的开启，所述峰值大于达到需要的提升距离所要求的脉冲值；(b)将所述控制脉冲从所述峰值减小至一个需要的值，以提供所需的提升距离；(c)将控制脉冲减小至一个负值以加速阀的闭合；(d)将控制脉冲增大至一个正值以减缓阀的关闭，从而减小阀针对阀座的冲击力；(e)将控制脉冲减小到0以关闭所述阀。
25.根据权利要求24所述的方法还包括在将所述控制脉冲增大至所述峰值之后，瞬时性地将所述控制脉冲减小至低于所述提升距离需要的脉冲值的一个值。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述峰值可达到的幅度高于所需提升距离要求的脉冲值。
27.根据权利要求24所述的方法，其中所述控制脉冲是被引导至一个致动器组件的电线圈的调制电流，所述致动器组件包括磁致伸缩部件。
28.根据权利要求24所述的方法，其中所述控制脉冲是被施加到一个致动器组件的压电块上的调制电压。
29.根据权利要求24所述的方法，其中在闭合位置和所需的开启位置之间移动所述阀针所需要的时间可尽量短而约为172微秒。
30.根据权利要求24所述的方法，其中在闭合位置和所需的开启位置之间移动所述阀针所需要的时间可尽量短而约为250微秒。
全文摘要
一种直接致动喷射阀,该喷射阀包括:一个中空的阀壳体;布置在中空的内部的一个阀针;一根针簧;一个致动组件和一个液压连接组件。阀针可在闭合位置和开启位置之间运动,以控制流入内燃机的燃烧室的燃油。阀针从闭合位置开始的移动量确定为提升距离。针簧将阀针偏压入闭合位置。致动器组件产生与针簧相对作用的开启力以开启所述阀。液压连接组件置于阀针和针簧及致动器组件之间。液压连接组件分别将闭合力和开启力传送到阀针上。液压连接件最好包括布置在液压缸中的活塞,该液压缸中充注有液压流体。开启力和闭合力传送过一定厚度的液压流体,液压流体处于活塞的平坦表面和液压缸的端部和基座之间。在优选的实施例中,当激励致动器组件时,处于活塞和液压缸端头或基座之间的液压流体的厚度,可根据喷射阀的部件之间的尺寸关系的变化而自动调整,以保持所需要的阀针提升距离。当致动器组件包括磁致伸缩部件或压电部件时,可通过施加定形的控制脉冲或波形来控制阀针的运动,以提高阀针的开启和闭合运动的速度,并且减小在闭合时所产生的阀针对阀座的冲击。
文档编号F02M51/06GK1379846SQ00814242
公开日2002年11月13日 申请日期2000年10月2日 优先权日1999年10月15日
发明者艾伦·B·韦尔奇, 艾拉万·拉哈德加, 迈克尔·赫布斯 申请人:韦斯特波特研究公司