用于可变压力喷射的多源燃料系统的制作方法

专利名称：用于可变压力喷射的多源燃料系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料系统，更具体地涉及一种具有多个用于提供可变 压力喷射动作(injection event)的加压燃料源的燃料系统。
背景技术：
共轨燃料系统提供了一种向发动机的燃烧室引入燃料的方式。典型的 共轨燃料系统包括喷射器，该喷射器具有在通电时打开燃料喷嘴的致动螺 线管。然后，燃料作为螺线管保持通电的时间段和在该时间段内供给到燃 料喷射器喷嘴的燃料压力的函数被喷入燃烧室。
为了优化发动机性能和排气排放，发动机制造商可改变供给到燃料喷 射器喷嘴的燃料压力。在2004年9月2日公开的Shinogle的美国专利申 请公开文件No. 2004/0168673( '673公开文件)中记载了这样的一个示例。 '673公开文件描述了这样一种燃料系统，该燃料系统具有可流体地连接 到保持燃料供给的第一共轨和保持致动流体(例如油)供给的第二共轨的燃料喷射器。'673专利的各个燃料喷射器配备有可在致动流体的作用下 移动以增大燃料压力的增压器活塞(intensifierpiston)。通过将燃料喷射 器流体地连接到第一共轨，燃料能以第一压力进行喷射。通过将燃料喷射 器流体地连接到第 一和第二共轨，燃料能以高于所述第 一压力的第二压力 进行喷射。
尽管'673公开文件的燃料喷射系统能以不同的压力向发动机充分地 供给燃料，但它可能具有限制和问题。具体地，由于'673公开文件的燃 料喷射系统仅能以两种不同的压力喷射燃料，所以其在某些应用场合可能 受限。此外，由于该系统采用两种不同的流体，即燃料和油，所以必须注 意不使这两种流体相互污染。如果产生污染，则发动机将无法按期望地工 作并且可能受损。另外，由于各个燃料喷射器包括其自身专有的增压器来 改变从该喷射器喷出的燃料压力，所以系统将包括大量部件。该大量部件 会增加燃料喷射系统的成本和精确控制燃料系统的难度。此外，由于所喷 射的燃料压力是通过控制喷射器上游很远距离处的泵输出来调节的，所以 实际的喷射压力可能滞后于期望的喷射压力。这种压力滞后会导致喷射型 式(injection profile )偏离预期的喷射型式。
本发明的燃料系统解决了上述一个或多个问题。

发明内容
本发明的一个方面涉及一种用于发动机的燃料系统。该燃料系统包括 构造成将燃料加压至第 一压力的第 一 源和构造成将燃料加压至第二压力的
料喷^器。'i燃料系统还包括设置在所i燃料喷^器与所述第 一和第二源J 之间的单个阀，所述单个阀与所述第一和第二源及所述燃料喷射器流体连 通，并且能够向所述燃料喷射器输送可变压力的燃料。
本发明的另一个方面涉及一种喷射燃料的方法。该方法包括将第一燃 料流加压至第一压力，以及将第二燃料流加压至第二压力。该方法还包括 在单个位置接收所述第一和第二燃料流，响应性地产生第三压力的第三燃料流，将所述第三燃料流引导到喷射器并选择性地喷射所述第三燃料流。


图l是示例性公开的发动机的示意图2是用于图1的发动机的示例性公开的燃料系统的示意性剖视图； 图3是用于图1的发动机的另一个示例性公开的燃料系统的示意性剖 视图4是用于图1的发动机的又一个示例性公开的燃料系统的示意性剖 视图5是另一个示例性公开的发动机的示意图6是用于图5的发动机的示例性公开的燃料系统的示意性剖视以及
图7是用于图5的发动机的另一个示例性公开的燃料系统的示意性剖 视图。
具体实施例方式
图1示出具有发动机10和燃料系统12的示例性实施例的机械(机器) 5。机械5可以是执行与工业如采矿、建筑、农作、发电、运输或本领域已 知的任意其它行业相关的某种操作的固定不动的或机动的机械。例如，机 械5可具体表现为运土机械、发电机组、泵或执行任意其它适当操作的机 械0
为了叙述^/>开的内容，将发动机10示出和描述为四冲程柴油机。但 是本领域技术人员应当认识到，发动机10可具体表现为任意其它类型的内 燃机，例如汽油机或气体燃料动力发动机。发动机10可包括发动机组14， 该发动机组限定多个气缸16、可滑动地设置在各个气缸16内的活塞18和 与各个气缸16相连的气缸盖20。
气缸16、活塞18和气缸盖20可形成燃烧室22。在所示实施例中，发 动机10包括六个燃烧室22。但是，可设想发动机10可包括数量更多或更少的燃烧室22，并且燃烧室22可设置成"直列"构型、"V"构型或任意 其它适当的构型。
仍如图1所示，发动机10可包括可旋转地设置在发动机组14内的曲 轴24。连杆26可将各个活塞18连接到曲轴24，从而活塞18在各个相应 气缸16内的滑动引起曲轴24的旋转。类似地，曲轴24的旋转可引起活塞 18的滑动。当曲轴24旋转时，燃烧室22能以特定顺序点火。当从图l的 左边起对燃烧室22进行编号时，点火顺序可以例如为l， 5， 3， 6， 2， 4。 也就是说，第一或最左边的燃烧室可以首先点火(例如，在曲轴24的360 度的单圏旋转内在其余气缸之前燃烧燃料和空气的混合物)。在最左边的 燃烧室22点火后，从左边起的第五个燃烧室可点火，等等。这样，没有相 邻的燃烧室22可相继地点火。
燃料系统12可包括协作以将加压燃料喷入各个燃烧室22的部件。具 体地，燃料系统12可包括构造成保持燃料供给的燃料箱28和构造成对燃 料加压并将一股或多股加压燃料流引导至多个燃料喷射器32的燃料泵送 设备30。 一燃料传输泵36可在燃料箱28和燃料泵送设备30之间设置在 燃料管路40中以向燃料泵送设备30提供低压进给。
燃料泵送设备30可具体表现为具有第 一泵送机构30a和第二泵送机构 30b的机械驱动的、电子控制的泵。第一和第二泵送机构30a、 30b均可通 过可旋转凸轮(未示出)可操作地连接到泵驱动轴46。所述凸轮适于驱动 第一和第二泵送机构30a、 30b的活塞元件(未示出)而经压缩冲程对燃料 加压。与第一和第二泵送机构30a、 30b相关联的柱塞(未示出)可在可变 的正时关闭，以改变压缩冲程的长度并由此改变第一和第二泵送机构30a、 30b的流量。或者，第一和第二泵送机构30a、 30b可包括可旋转的斜盘 (swashplate)或本领域已知的任意其它装置，以改变加压燃料的流量。 可设想，如果需要，燃料泵送设备30也可具体表现为具有固定的输出容量 且设置成并行或串联关系的两个分离的泵送元件。
第一和第二泵送机构30a、 30b适于产生分离的加压燃料流。例如，第 一泵送机构30a可产生通过第一燃料供给管路42导入第一公共歧管、common manifold) 34的第一加压燃料流。第二泵送机构30b可产生通 过第二燃料供给管路43导入第二公共歧管37的第二加压燃料流。在一个 示例中，第一加压燃料流可具有约100MPa的压力，而第二加压燃料流可 具有约200 MPa的压力。在第一燃料供给管路42中可设置第一止回阀44 以提供从第一泵送机构30a向第一公共歧管34的单向燃料流。在第二燃料 供给管路43中可设置第二止回阀45以提供从第二泵送机构30b向第二公 共歧管37的单向燃料流。
燃料泵送设备30能可操作地连接至发动机10并由曲轴24驱动。例如， 燃料泵送设备30的泵驱动轴46在图1中示出为通过传动机构48连接至曲 轴24。但是，可设想，第一和第二泵送机构30a、 30b中的一者或两者能 可选地净皮电驱动、液压驱动、气动驱动或以任意其它适当的方式蜂皮驱动。
燃料喷射器32可设置在气缸盖20中并通过多条燃料管路50连接至第 一和第二公共歧管34、 37。各个燃料喷射器32可操作以将一定量的加压 燃料以预定的正时、燃料压力和燃料流量喷入相连的燃烧室22。燃料喷入 燃烧室22的正时可与活塞18的运动同步。例如，燃料可在活塞18接近压 缩冲程中的上死点(TDC)位置时喷射以准备进行所喷射燃料的压缩点火 燃烧。或者，燃料可在活塞18朝上死点位置行进而开始压缩冲程时喷射以 用于均匀充气压缩点火操作。燃料还可在活塞18在膨胀冲程期间从上死点 位置向下死点位置移动时喷射以进行延迟后喷射，从而产生用于后处理再 生的还原气氛。
如闺2所示，各个燃料喷射器32可具体表现为闭式喷嘴组合式燃料喷 射器。具体地，每个燃料喷射器32可包括容纳引导件54、喷嘴部件56、 针岡元件58的喷射器体52、第一电磁致动器60和第二电磁致动器62。
喷射器体52可以是构造成装配在气缸盖20内的大致为圆筒形的部件。 喷射器体52可具有用于接纳引导件54和喷嘴部件56的中心腔64,和供 喷嘴部件56的尖端68穿出的开口 66。在引导件54和喷嘴部件56之间可 设置密封件如O形圏(未示出)以限制燃料从燃料喷射器32泄漏。
引导件54也可以是具有构造成接纳针阀元件58的中心腔70和控制室72的大致为圆筒形的部件。中心腔70可用作压力室，用于保持通过燃料 供给通路74持续供给的加压燃料。在喷射期间，来自燃料管路50的加压 燃料可流动通过燃料供给通路74和中心腔70到达喷嘴部件56的尖端68。
控制室72可选择性地排出或被供给以加压燃料以控制针阀元件58的 运动。具体地， 一控制通路76可使与控制室72相连的端口 78与第一电磁 致动器60流体连接。端口 78可设置在控制室72的相对于针阀元件58的 轴向运动在径向上定向的侧壁内，或者设置在控制室72的轴向端部内。控 制室72可经由与燃料供给通路74连通的受限供给通路80被持续供给以加 压燃料。供给通路80所产生的限制可使得在控制通路76排出加压燃料时 在控制室72内形成压降。
喷嘴部件56可同样具体表现为具有构造成接纳针阀元件58的中心腔 82的大致为圆筒形的部件。喷嘴部件56还可包括一个或多个开孔84以允 许加压燃料从中心腔82喷入发动机10的燃烧室22。
针阀元件58可以是滑动地设置在壳体引导件54和喷嘴部件56内的大 致为长圆柱形的部件。针阀元件58可在第一位置和第二位置之间沿轴向移 动，在所述第一位置针阀元件58的尖端86阻挡燃料流过开孔84,在所述 第二位置开孔84打开以允许加压燃料流入燃烧室22。
针阀元件58在正常情况下可朝向第一位置偏置。特别地，每个燃料喷 射器32可包拾没置在引导件54的止动部卯和针阀元件58的支承面92 之间的弹簧88以沿轴向朝开孔阻挡位置偏压尖端86。在弹簧88和止动部 卯之间可设置第一间隔件94，在弹簧88和支承面92之间可设置第二间隔 件96,以减小燃料喷射器32内的部件磨损。
针阀元件58可具有多个驱动液压表面。特别地，针阀元件58可包括 在受到加压燃料作用时趋于朝第一位置或开孔阻挡位置驱动针阀元件58 的液压表面98，以及趋于抵抗弹簧88的偏压并沿相反方向朝第二位置或 开孔打开位置驱动针阀元件58的液压表面100。
第 一 电磁致动器60可相对着针阀元件58的尖端86设置以控制针阀元 件58的打开运动。特别地，第一电磁致动器60可包括设置在控制室72和燃料箱28之间的双位阀元件。该阀元件可朝阻止流体从控制室72流向 燃料箱28的关闭位置被弹性偏压(spring-biased)，并且被螺线管朝允许 燃料从控制室72流向燃料箱28的打开位置致动。所述阀元件可响应于加 在与第一电磁致动器60相连的线圏上的电流而在关闭位置和打开位置之 间运动。可设想，所述阀元件能可替换地为液压操作的、机械操作的、气 动操作的，或以任意其它适当的方式被操作。还可设想，所述阀元件能可 替换地具体表现为可运动到关置和打开位置之间的任意位置的比例型 阀元件。
第二电磁致动器62可包括设置在第一电磁致动器60和燃料箱28之间 的双位阀元件以控制针阀元件58的关闭运动。该阀元件可朝允许燃料流向 燃料箱28的打开位置被弹性偏压，并且被螺线管朝阻止流体流向燃料箱 28的关闭位置致动。所述阀元件可响应于加在与第二电磁致动器62相连 的线圏上的电流而在打开位置和关闭位置之间运动。可设想，所述阀元件 能可替换地为液压操作的、机械操作的、气动操作的，或以任意其它适当 的方式被操作。还可设想，所述阀元件能可替换地具体表现为三位类型的 阀元件，其中有利于加压燃料的双向流动。
仍如图2所示，压力控制阀102可与各个燃料喷射器32相连。具体地， 压力控制阀102可包括第一阀元件106、第二阀元件108、连接成移动阀元 件108的致动器104、第三阀元件110和旁通回路112。响应于第一和第二 公共歧管34、 37内的燃料压力和输入到致动器104的电流，压力控制阀 102可调节经燃料供给通路74引导到燃料喷射器32的燃料的压力。可设 想，压力控制阀102可以是燃料喷射器32的一部分，或者是与一个或多个 燃料喷射器32相联的分离的独立部件。
阀元件106可具体表现为可由作用在其端部上的流体压力移动的先导 式(液控式，pilot-operated)比例阀元件或其它适当的装置，以选择性地 使加压燃料的一部分从第二公共歧管37流到喷嘴部件56的中心腔82。具 体地，阀元件106可从使最大量的第一加压燃料流被引导至中心腔82的第 一位置抵抗复位弹簧114的偏压朝没有加压燃料从第二公共歧管37流到中
12心腔82的第二位置移动。阀元件106也可移动到第一和第二位置之间的任 意位置，以将最大量(燃料)的一部分引导到燃料箱28并将最大量的其余 部分引导到中心腔82。由阀元件106引导至中心腔82和燃料箱28的燃料 的量和比率可取决于作用在阀元件106端部上的流体压力并且可影响供给 至中心腔82的燃料的压力。例如，随着经阀元件106排到燃料箱28的燃 料量增大(例如，阀元件106朝第二位置移动但不完全移动到第二位置)， 导向中心腔82的燃料的压力可降低。反之，随着经阀元件106排到燃料箱 28的第一燃料流的量增大(例如，阀元件106朝第一位置移动)，导向中 心腔82的燃料的压力可升高。这样，可实现经过开孔84的可变的喷射压 力和在燃烧室22中的可变的贯入深度(penetration depth )。
阀元件108也可具体表现为比例阀元件或其它适当装置并且可移动以 影响阀元件106在第一和第二位置之间的位置。具体地，阀元件108可在 使来自公共歧管34的加压导引燃料与阀元件106的端部连通的第一位置和 使阀元件106端部的加压导引燃料排向燃料箱28的第二位置之间移动。导 引燃料被排放或与阀元件106端部连通的速度可影响燃料喷射器32内的燃 料压力改变的速率。来自阀元件108上游的燃料可与相联的复位弹簧的偏 压协作以保持阀元件108与致动器40接触。
致动器104可具体表现为具有一个或多个压电晶体柱的压电机构。压 电晶体是具有随机电畴取向(random domain orientation )的结构。这些 随机取向是呈现出永久偶极特性的正负离子的不对称排列。当电场例如通 过施加电流而作用于所述晶体时，随着电畴极性对齐，压电晶体沿电场的 轴线扩展。致动器104可被机械地连接以响应于所施加的电流使阀元件108 在第一和第二位置之间移动。
阀元件110可具体表现为压力调节阀元件，其构造成影响经阀元件106 流到燃料喷射器32的燃料的压力。特别地，阀元件110可设置在阀元件 106和燃料箱28之间，使得随着阀元件106移离第一位置， 一些燃料流过 阀元件106到达阀元件110。阀元件110的第一端部可与来自第一公共歧 管34的燃料连通，并且与复位弹簧的偏压一起朝流动阻止位置推动阀元件110。当处在流动阻止位置时，基本上没有燃料可经阀元件110流到燃料箱 28。阀元件110的第二端部可与流过阀元件106的燃料连通并且可朝流动 通过位置推动阀元件110。当处在流动通过位置时，允许排向燃料箱28的 燃料的量可取决于流过阀元件106的燃料量、所通过燃料的压力和从第一 公共歧管34供给到阀元件110的相对端部的燃料的压力。这样，第一公共 歧管34内的燃料压力可影响从第二公共歧管37流到燃料喷射器32的燃料 压力。
旁通回路112可确保始终有最小压力的燃料流向燃料喷射器32。特别 地，当阀元件106处于第二位置时，喷射器32的仅有的燃料源可以是通过 旁通回路112连接的第一公共歧管34。旁通回路112可包括止回阀116， 止回阀116确保燃料经旁通回路112的单向流动，使得只有在喷射器32 内的燃料压力下降到第一公共歧管34内的燃料压力以下时燃料才流过旁 通回路112。
图3示出图2的燃料系统12的替换实施例。类似于图2的燃料系统 12,图3的燃料系统12可包括经燃料管路50接纳来自第一和第二共轨34 和37的加压燃料流的燃料喷射器32。但是，与图2所示的压力控制装置 102相比，图3的实施例可包括不同的压力控制装置302。压力控制装置 302可包括可操作地连接到阀元件306并与控制系统316连通的致动器 304。阀元件306可与燃料喷射器32相联，并且可由致动器304移动以选 择性地将第一和第二加压燃料流组合和/或引导到燃料喷射器32。可设想， 致动器304和阀元件306可与燃料喷射器32成一体或作为单独部件分开。
致动器304可与致动器104基本相同并且具体表现为具有一个或多个 压电晶体柱的压电装置。当例如通过施加电流而在致动器304的晶体上施 加电场时，压电晶体沿其轴线扩展以影响阀元件306的运动。
致动器304可被连接成通过导引流体来移动阀元件306。特别地，连 接到致动器304的导引元件320可在使来自共轨34的导引流体与阀元件 306的端部连通的第一位置和允许来自阀元件306端部的导引流体排向燃 料箱28的第二位置之间移动。当电流施加到致动器304的压电晶体上时，致动器304可扩展以使导引元件320从第一位置朝第二位置移动。反之， 当电流从致动器304的压电晶体上移除时，致动器304可收缩以使导引元 件320朝第一位置返回。可设想，如果需要，可省略致动器304的压电晶 体，并且以其它适当方式来控制导引元件320的运动。还可设想，如果需 要，致动器304能可选地直接和机械地被连接以移动阀元件306而不使用 导引元件320。
阀元件306可具体表现为可响应于上述导引流体而移动的比例阀元件 或其它适当装置。具体地，当从共轨34有充足的导引流体与阀元件306 的端部接触时，阀元件306可处于只有第二加压燃料流被导向中心腔82 的第一位置或被推向第一位置。随着导引流体被排离阀元件306的端部， 弹簧322可朝只有第一加压燃料流被导向中心腔82的第二位置偏压阀元件 306。阀元件306可通过导引流体移动到第一和第二位置之间的任意位置， 以将第一和第二加压燃料流的一部分引导到中心腔82。由阀元件306引导 到中心腔82的第 一或第二流的量和比率可取决于施加在致动器304的压电 晶体上的电流并且可影响由此供给到中心腔82的燃料的压力。此外，流体 流过导引元件320的速度可影响阀元件320的致动速度及由此中心腔82 内的喷射压力改变的速率。这种对加压燃料的调节/組合可实现中心腔82 内的可变燃料压力，从而导致经过开孔84的可变的燃料喷射速率和在燃烧 室22中的可变的贯入深度。
控制系统316可包括协作以响应于一个或多个输入来调节压力控制装 置302和/或燃料喷射器32的操作的部件。特别地，控制系统316可包括 与来自压力控制装置302的组合燃料流可操作地关联的传感器317，和控 制器318。控制器318可响应于来自传感器317的信号调节施加到致动器 304上的电流。
传感器317可具体表现为压力传感器，其构造成感测从压力控制装置 302离开的组合燃料流的压力并产生表示该压力的信号。可设想，传感器 317也能可选地感测与组合燃料流相关联的燃料的不同或附加的参数，例 如温度、粘度、流量或本领域已知的任意其它参数。控制器318可具体表现为包括用于控制燃料系统12操作的装置的单个微处理器或多个微处理器。多种商售的微处理器可构造成执行控制器318的功能。应认识到，控制器318可容易地具体表现为能够控制多种发动机功能的通用发动机」微处理器。控制器318可包括存储器、辅助存储装置、处理器和用于运行应用程序的其它部件。控制器318也可联接各种其它电路，例如供电电路、信号调制电路、螺线管驱动器电路和其它类型的电路。
在控制器318的存储器中可存储与喷射正时和期望喷射压力相关的一个或多个脉镨图。这些脉镨图中的各个可以是表格、图线和/或方程的形式。在一个示例中，喷射正时和期望喷射压力可形成用于控制致动器304的二维表格的坐标轴。与致动器304的压电晶体的扩展和收缩相关联的期望压力、导引元件位置和/或指令电流可在一分开的二维脉语图中相关。也可设想，如果需要，喷射正时可在单个二维脉镨图中与导引元件位置和/或指令电流直接相关。
控制器318可构造成接收由传感器317产生的信号并响应于该信号操作致动器304。特别地，控制器318可与传感器317通信以从传感器317接收信号。控制器318可参考存储在其存储器中的脉谱图，将来自传感器317的信号与在脉语图中查到的期望压力值进行比较，并响应于该比较来调节导至致动器304的压电晶体的电流。例如，在参考了关系脉语图并确定了期望喷射压力、将测得的压力与期望喷射压力进行了比较并判定测得的压力显著低于期望压力(例如，比期望压力小预定量)后，控制器318可减小供给到致动器304的电流，由此使来自共轨34的低压燃料与阀元件306连通并使阀元件306朝第二位置移动。这种朝第二位置的运动可导致被引导通过阀元件306的燃料压力的增大。反之，如果所述比较表明测得的压力显著高于期望压力(例如，比期望压力大预定量)，则控制器318可增大供给到致动器304的电流，由此4吏阀元件306与燃料箱28连通并使阀元件306朝第一位置移动，这种朝第一位置的运动可导致被引导通过阀元件306的燃料压力的减小。
图4示出图3的燃料系统12的替换实施例。与图3的燃料系统12类似，图4的燃料系统12可包括经燃料管路50和致动器304从第一和第二共轨34和37接收加压燃料流的燃料喷射器32。但是，与图3所示的与致动器304相联的单个阀元件306相比，图4的致动器304可包括两个分离的阀元件408和410。
在第一和第二加压燃料流被引导通过阀元件306时的喷射动作期间(参见图3)，来自第一共轨37的较高压力的燃料可能沿反向流入第二共轨34。这种反向流动会降低燃料系统12的效率。为了提高燃料系统12的效率，图4的致动器304可实现分离的阀元件408和410。
与阀元件306类似，阀元件408可具体表现为可由致动器304移动的比例阀元件或其它适当装置。尽管在该实施例中致动器304被示出为直接和才几械地联接到阀元件408，但可设想致动器304也能可选地通过与图3的导引元件320类似的导引元件(未示出)间接地连接到阀元件408。阀元件408可在阻挡来自第一共轨34的加压燃料流到燃料喷射器32的第一位置和使最大量的燃料从第一共轨34引导到燃料喷射器32的第二位置之间移动。阀元件408也可移动到第一和第二位置之间的任意位置，以将第一加压燃料流的一部分引导到燃料喷射器32。由阀元件408从第一共轨34引导到燃料喷射器32的第一加压燃料流的量可对应于施加到致动器304的压电晶体上的电流。
与阀元件408相比，阀元件410可具体表现为双位的电/P兹致动阀元件。阀元件410可从基本上没有加压燃料从第二共轨37引导到中心腔82的第一位置移动到有最大量的燃料从第二共轨37引导到燃料喷射器32的第二位置。阀元件408和410可分开地或同时地,皮操作以独立地引导来自第一共轨34、笫二共轨37或第一和第二共轨34、 37两者的加压燃料。这种来自第一和第二共轨34、 37的加压燃料的组合可实现中心腔82内的可变的燃料压力，从而导致经过开孔84的可变的燃料喷射速率和在燃烧室22中
的可变的贯入深度。
图5示出燃料系统12的替换实施例。与图3的燃料系统12类似，图5的燃料系统12可包括经燃料管路50从第一和第二共轨34和37接收加压燃料流的燃料喷射器32。但是，与图3所示的与各单个喷射器相联的压力控制装置302相比， 一个压力控制装置502可与多个燃料喷射器32相联。具体地，第一压力控制装置502可与第一组燃料喷射器32相联，而第二压力控制装置502可与第二组燃料喷射器32相联。第一和第二组燃料喷射器32中的每一组可仅与非相继点火的燃烧室22相联。例如，那些与编号为1、2和3的燃烧室22相联的燃料喷射器32可处在第一组燃料喷射器32中，而那些与编号为4、 5和6的燃烧室22相联的燃料喷射器32可处在第二组中。这样，单个组内的燃料喷射器32绝不会相继地喷射燃料。
通过限制从一组被共同调节压力的燃料喷射器32中相继地喷射燃料，可为压力控制装置502提供充足的时间来响应喷射动作之间的不同压力需求。也就是说，通过在各组燃料喷射器32之间交替地进行喷射动作，与从同一组燃料喷射器32内相继地进行喷射相比，可为压力控制装置502提供两倍的时间来响应所需的喷射压力。这样，各个压力控制装置502仅需足够快地响应以调节每另 一次喷射动作的压力即可。
如图6所示，各个压力控制装置502可包括可操作地连接到阀元件606的致动器604。阀元件606可由致动器604移动以选择性地将第一和第二加压燃料流组合并将组合流引导到相应的第一或第二組燃料喷射器32。
致动器604可与致动器304基^目同并且具体表现为具有一个或多个压电晶体柱的压电装置。当例如通过施加电流而在致动器604的晶体上施加电场时，压电晶体沿轴线扩展以影响阀元件606的运动。
致动器604可被连接成通过导引流体来移动阀元件606。特别地，连接到致动器604的导引元件620可在使来自第二共轨37的导引流体与阀元件606的端部连通的第一位置和允许来自阀元件606端部的导引流体排向燃料箱28的第二位置之间移动。当电流施加到致动器604的压电晶体上时，致动器604可扩展以使导引元件620从第一位置朝第二位置移动。反之，当电流从致动器604的压电晶体上移除时，致动器604可收缩以使导引元件620朝第一位置返回。可设想，如果需要，可省略致动器604的压电晶体，并且以其它适当方式来控制导引元件620的运动。还可设想，如果需要，致动器604能可选地直接和机械地被连接以移动阀元件606而不使用 导引元件620。
阀元件606可具体表现为可响应于上述导引流体而移动的比例阀元件 或其它适当装置。具体地，当从共轨34有充足的导引流体与阀元件606 的端部接触时，阀元件606可处于只有第二加压燃料流被导向相应组的燃 料喷射器32的第一位置或被推向第一位置。随着导引流体被排离阀元件 606的端部，弹簧622可朝只有第一加压燃料流被导向相应的燃料喷射器 组的第二位置偏压阀元件606。阀元件606可通过导引流体移动到第一和 第二位置之间的任意位置，以将第一和第二加压燃料流的一部分引导到燃 料喷射器组。由阀元件606引导的第一或第二流的量和比率可取决于施加 在致动器604的压电晶体上的电流并且可影响由此供给的燃料的压力。此 外，流体流过导引元件620的速度可影响阀元件620的致动速度及由此喷 射压力改变的速率。这种对加压燃料的调节/组合可实现中心腔82内的可 变燃料压力，从而导致经过开孔84的可变的燃料喷射速率和在燃烧室22 中的可变的贯入深度。
图7示出图6的燃料系统12的替换实施例。与图6的燃料系统12类 似，图7的燃料系统12可包括经燃料管路50和两个压力控制装置502从 第一和第二共轨34和37接收加压燃料流的两组燃料喷射器32。但是，与 图6所示的与各致动器604相联的单个阀元件606相比，图7的各致动器 604可包括两个分离的阀元件708和710。
在第一和第二加压燃料流被引导通过阀元件606时的喷射动作期间 (参见图6),来自第一共轨37的较高压力的燃料可能沿反向流入第二共 轨34。这种反向流动会降低燃料系统12的效率。为了提高燃料系统12的 效率，图7的致动器604可实现分离的阀元件708和710。
与阀元件606类似，阀元件708可具体表现为可由致动器604移动的 比例阀元件或其它适当装置。尽管在该实施例中致动器604被示出为直接 和机械地联接到阀元件708，但可设想致动器604也能可选地通过与图6 的导引元件620类似的导引元件(未示出)间接地连接到阀元件708。阀元件708可在阻挡来自第一共轨34的加压燃料流到相应组的燃料喷射器 32的第一位置和使最大量的燃料从第一共轨34引导到所述组的燃料喷射 器32的第二位置之间移动。阀元件708也可移动到第一和第二位置之间的 任意位置，以将第一加压燃料流的一部分引导到燃料喷射器组。由阀元件 708从第一共轨34引导到成组燃料喷射器32的第一加压燃料流的量可对 应于施加到致动器604的压电晶体上的电流。
与阀元件708相比，阀元件710可具体表现为双位的电/P兹致动阀元件。 阀元件710可从基本上没有加压燃料从第二共轨37引导到相应的燃料喷射 器组的第一位置移动到有最大量的燃料从第二共轨37引导到成组燃料喷 射器32的第二位置。阀元件708和710可分开地或同时地^皮操作以独立地 引导来自第一共轨34、第二共轨37或第一和第二共轨34、 37两者的加压 燃料。这种来自第一和第二共轨34、 37的加压燃料的组合可实现相应的燃 料喷射器组的中心腔82内的可变的燃料压力，从而导致经过开孔84的可 变的燃料喷射速率和在燃烧室22中的可变的贯入深度。
工业适用性
本发明的燃料系统可广泛用于多种发动机类型，例如包括柴油机、汽 油机和气体燃料动力发动机。所公开的燃料系统可在采用加压燃料系统的 任意发动机中实施，其中它在提供可变压力的燃料供给方面是有利的。现 在对燃料系统12的工作进行说明。
针阀元件58可因由燃料压力产生的力的不平衡而移动。例如，当针阀 元件58处于第一位置或开孔阻挡位置时，来自燃料供给通路74的加压燃 料可流入控制室72以作用在液压表面98上。同时，来自燃料进给通路74 的加压燃料可流入中心腔70和82以待喷射。弹簧88的力结合在液压表面 98上产生的液压力可大于在液压表面100上产生的反向力，从而使针阀元 件58保持在第一位置而限制燃料流过开孔84。为了打开开孔84并将加压 燃料从中心腔82喷入燃烧室22，第一电磁致动器60可移动其相关联的阀 元件，以选择性地将加压燃料从控制室72和液压表面98排出。作用在液压表面98上的压力的这种减小可允许作用在液压表面100上的反向力克服 弹簧88的偏压力，从而使针岡元件58朝开孔打开位置移动。
为了关闭开孔84并终止燃料向燃烧室22的喷射，可使第二电磁致动 器62通电。特别地，随着与第二电磁致动器62相关联的阀元件被推向流 动阻止位置，来自控制室72的流体可被阻止向燃料箱28排出。由于加压 流体经受限的供给通路80持续地供给到控制室72,因而当经控制通路76 的排出被阻止时在控制室72中压力快速上升。控制室72中升高了的压力 结合弹簧88的偏压力可克服作用在液压表面IOO上的反向力，以迫使针阀 元件58朝关闭位置移动。可设想，在必要时可省去第二电磁致动器62, 并均使用第一电磁致动器60来起动针阀元件58的打开和关闭运动。
在图2的示例性实施例中，压力控制阀102可影响供给到中心腔70 和82及随后喷入燃烧室22中的燃料的压力。具体地，响应于施加在致动 器104的压电晶体上的电流，致动器104可移动阀元件108以从阀元件106 的端部排放加压燃料，从而允许阀元件106朝其第一位置移动并减小从第 二公共歧管37排到燃料箱28的加压燃料的量。排向燃料箱28的燃料量的 减小可导致燃料喷射器32内的压力升高。反之，当电流从致动器104上移 除时，阀元件108可移动以使来自第一公共歧管34的加压燃料与阀元件 106的端部连通，由此将阀元件106推向其第二位置而增大从第二公共歧 管37排向燃料箱28的加压燃料的量。排向燃料箱28的燃料量的增大可起 作用以降低供给到燃料喷射器32的燃料压力。
当排放的燃料到达阀元件110时，其可响应于阀元件110上的压差而 继续流向排放处(drain) 28或被阻挡。具体地，如果由排放通过阀元件 106的燃料压力在阀元件110上产生的力大于由第一公共歧管34内的燃料 压力和相联的复位弹簧的偏压产生的力，则阀元件110可打开以使排方文的 燃料流到燃料箱28。但是，如果由排放通过阀元件106的燃料产生的力小 于由第 一公共歧管34内的燃料压力和复位弹簧的偏压产生的力，则排放的 燃料可被阻止到达燃料箱28。这样，第一公共歧管34内的燃料压力可影 响被导向燃料喷射器32的燃料压力。不管压力控制阀102是否工作，燃料可始终供给到喷射器32。特别地， 旁通回路112可确保无论何时燃料喷射器32内的燃料压力降到第一公共歧 管34内的燃料压力以下，第一公共歧管34内的燃料都可流到喷射器32。
燃料系统12可提供无限范围的喷射压力。特别地，由于所喷射燃料的 压力可响应于阀元件106的位置而改变，并且由于阀元件106可移动到其 第一和第二位置之间的任意位置，所以喷射可获得许多不同的压力。此夕卜， 由于燃料系统12可仅利用燃料来影响这些压力变化，所以不同流体之间的 污染不再是问题。
如在图3和4中所示的燃料系统12的替换实施例所述，压力控制装置 302可影响供给到中心腔70和82及此后喷入燃烧室22的燃料的压力。具 体地，响应于加在致动器304的压电晶体上的电流，致动器304可影响阀 元件306 (参见图3)和408 (参见图4)的运动，以增加或减少从第一共 轨34流入燃料喷射器32的加压燃料的量。对于图3的实施例，致动器304 的运动也可同时控制从第二共轨37流入燃料喷射器32的加压燃料的量。 与之相对，对于图4的实施例，阀元件410可被独立地控制，以允许或阻 止燃料从第二共轨37流入燃料喷射器32。
控制器318能够精确控制燃料喷射动作的压力。特别地，在喷射的不 同阶段(预喷射、主喷射、后喷射等)内，希望改变所喷射燃料的压力。 为了实现这种压力变化，控制器318可参考存储在其存储器中的关系脉镨 图并确定与燃料喷射器32的当前正时阶段对应的期望压力。然后控制器 318可将该期望压力与来自传感器317的信号进行比较以确定误差值。如 果误差值超过预定值，则控制器318可调节供给到致动器304的电流，由 此改变被引导通过阀元件306 (参见图3的实施例)或通过阀元件408和 410 (参见图4的实施例)的低压燃料与高压燃料的比率。
这种来自第一和第二共轨34、 37的燃料的流量变化可直接和立即影响 中心腔70和82内的燃料压力。例如，加在致动器304上的电流增大会导 致来自第一共轨34的加压燃料的流量减小，并在中心腔70和82内产生更 高的燃料压力。相反，加在致动器304上的电流减小会导致来自第一共轨34的加压燃料的流量增大，并在中心腔70和82内产生更高的燃料压力。 对于图3，来自第二共轨37的加压燃料的流量变化可同时对应于来自第一 共轨34的加压燃料的流量的反向变化。对于图4，来自第二共轨37的加 压燃料的流量可通过电磁致动的阀元件410被独立地控制。
由于燃料系统12可通过将两种不同的加压燃料流组合和/或引导到单 个喷射器而改变所喷射燃料的压力，因而可用于喷射的不同燃料压力水平 的数量可以是无限的。特别地，燃料系统12不限于特定的预定压力水平。 所喷射燃料的压力的这种灵活性可将燃料系统12的使用扩展到不同的应 用，以及扩展发动机10的工作范围和效率。此外，这种灵活性可在更宽范 围的工作状况下符合排;^文标准。
此外，由于燃料系统12可通过最少数量的附加部件改变所喷射燃料的 压力，所以燃料系统12的复杂度和成本低。具体地，添加压力控制装置 302只会向燃料系统12增加很小的复杂度或成本。
另外，由于燃料系统12的构型，燃料系统12的响应度高。特别地， 由于被引导通过阀元件306或通过阀元件408和410的燃料的压力可基于 在所述阀元件紧下游测得的压力来调节，所以在期望燃料压力和实际喷射 燃料压力之间可存在非常小的滞后。这种增大的响应度可导致发动机10 的更高的燃料效率、更低的排气排放和机械5的提高的响应度。
在图6和7所示的燃料系统12的替换实施例中，各压力控制装置502 可仅响应于相应组的燃料喷射器32内被致动的一个燃料喷射器32所需的 压力来影响供给到所述燃料喷射器组的燃料压力。具体地，响应于加在致 动器604的压电晶体上的电流，致动器604可影响阀元件606 (参见图6) 和708 (参见图7)的运动，以增加或减少从第一共轨34流入所述组的燃 料喷射器32的供被致动的燃料喷射器32使用的加压燃料的量。对于图6 的实施例，致动器604的运动也可同时控制从第二共轨37流入相应组的燃 料喷射器32的加压燃料的量。与之相对，对于图7的实施例，阀元件710 可被独立地控制，以允许或阻止燃料从第二共轨37流到所述组的燃料喷射 器32。这种来自第一和第二共轨34、 37的燃料的流量变化可直接和立即影响 中心腔70和82内的燃料压力。例如，加在致动器604上的电流增大会导 致来自第二共轨37的加压燃料的流量减小，并由此导致被导向共同组的燃 料喷射器32的燃料压力更低。相反，加在致动器604上的电流减小会导致 来自第二共轨37的加压燃料的流量增大，并由此导致被导向共同组的燃料 喷射器32的燃料压力更高。对于图6，来自第二共轨37的加压燃料的流 量变化可同时对应于来自第一共轨34的加压燃料的流量的反向变化。对于 图7，来自第二共轨37的加压燃料的流量可通过电》兹致动的阀元件710被 独立地控制。
由于燃料系统12可利用公共的压力控制装置502，所以燃料系统12 的复杂度和成本低。具体地，由于可利用一个压力控制装置502来控制多 个燃料喷射器32的喷射压力，所以燃料系统12的部件数量少，从而导致 简单、廉价的系统。此外，由于各个压力控制装置仅与非相继点火的燃烧 室相联，所以压力控制装置502的响应度对于多种应用都是足够的。
本领域技术人员显然清楚，可对本发明的燃料系统作出各种修改和变 型而不会脱离本发明的范围。鉴于本说明书和对本文中所公开的燃料系统 的实践，其它实施方式对于本领域技术人员而言也是显而易见的。本说明 书和示例应被认为仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附权利要求及 其等同物来限定。
权利要求
1、一种用于发动机的燃料系统，包括构造成将燃料加压至第一压力的第一源；构造成将燃料加压至第二压力的第二源；构造成接收燃料和将燃料喷入所述发动机的燃料喷射器；和设置在所述燃料喷射器与所述第一和第二源之间的单个阀，所述单个阀与所述第一和第二源及所述燃料喷射器流体连通，并且能够向所述燃料喷射器输送可变压力的燃料。
2、 根据权利要求i所述的燃料系统，其特征在于， 所述燃料喷射器构造成以所述第一压力和所述第二压力接收燃料；并且所述单个阀构造成基于来自所述第二源的燃料的压力来调节来自所述 第一源的燃料的压力。
3、 根据权利要求2所述的燃料系统，其特征在于，所述单个阀还构造 成选择性地使仅来自所述第一源的燃料流到所述燃料喷射器。
4、 根据权利要求2所述的燃料系统，其特征在于，所述单个阀通过选择性地使来自所述第一源的燃料的一部分流到排放处来调节来自所述第一 源的燃料的压力。
5、 根据权利要求2所述的燃料系统，其特征在于，来自所述第一源的燃料的流到所述排放处的部分取决于来自所述第二源的燃料的压力。
6、 根据权利要求5所述的燃料系统，其特征在于， 来自所述第一源的燃料比来自所述第二源的燃料处于更高的压力；并且调节包括仅降低来自所述第一源的燃料的压力。
7、 根据权利要求l所述的燃料系统，其特征在于，所述燃料喷射器是多个第一燃料喷射器中的一个；并且所述单个阀是与所述多个第 一燃料喷射器相关联的第 一阀，所述笫一阀构造成选择性地将来自所述第一源的燃料和来自所述第二源的燃料仅引导到所述多个第一燃料喷射器；并且所述燃料系统还包括 多个第二燃料喷射器；和与所述多个第二燃料喷射器相关联的第二阀，所述第二阀构造成选择 性地将来自所述第一源的燃料和来自所述第二源的燃料仅引导到所述多个 第二燃料喷射器。
8、 根据权利要求7所述的燃料系统，其特征在于，所述第一和第二阀 构造成选择性地组合来自所述第一源的燃料和来自所述第二源的燃料以产 生第三压力的燃料流。
9、 根据权利要求7所述的燃料系统，其特征在于， 所述多个第一燃料喷射器仅与所述发动机的非相继点火的燃烧室相联；并且所述多个第二燃料喷射器仅与所述发动机的非相继点火的燃烧室相联。
10、 根据权利要求l所述的燃料系统，其特征在于，所述燃料喷射器构造成接收来自所述第一和第二源的燃料，并且还包括控制器，所述控制 器与所述单个阀连通并且构造成基于期望喷射压力来影响所述单个阀的操作和所引起的燃料压力。
11、 根据权利要求10所述的燃料系统，其特征在于，还包括压力传感 器，所述压力传感器设置在所述单个阀和所述燃料喷射器的尖端之间并且 构造成提供表示被喷射燃料的压力的信号，其中所述控制器还构造成进一 步响应于所述信号来影响所述单个阀的操作和所引起的燃料压力。
12、 根据权利要求10所述的燃料系统，其特征在于，所述单个阀包括 可在第一位置和第二位置之间运动的主阀元件，在所述第一位置仅来自所 述第一源的燃料与所迷燃料喷射器连通，在所述第二位置仅来自所述第二 源的燃料与所述燃料喷射器连通。
13、 根据权利要求10所述的燃料系统，其特征在于，所述单个阀还构 造成选择性地组合处于所述第 一压力的燃料与处于所述第二压力的燃料以便以所述期望喷射压力供给到所述燃料喷射器。
14、 一种发动机，包括 多个燃烧室；处于第一压力的燃料的第一源； 处于第二压力的燃料的第二源；构造成接收燃料并将燃料喷入所述发动机的燃料喷射器；和 设置在所述燃料喷射器与所述第一和第二源之间的单个阀，所述单个阀与所述第一和第二源及所述燃料喷射器流体连通，并且能够向所述燃料喷射器输送可变压力的燃料。
15、 根据权利要求14所述的发动机，其特征在于， 所述燃料喷射器构造成以所述第一压力和所述第二压力接收燃料；并且所述单个阀构造成基于来自所述第二源的燃料的压力来调节来自所述 第一源的燃料的压力。
16、 根据权利要求14所述的发动机，其特征在于， 所述燃料喷射器是多个第一燃料喷射器中的一个；并且 所述单个阀是与所述多个第 一燃料喷射器相关联的第 一阀，所述第一阀构造成选择性地将来自所述第一源的燃料和来自所述第二源的燃料仅引 导到所述多个第一燃料喷射器；并且所述发动机还包括 多个第二燃料喷射器；和与所述多个第二燃料喷射器相关联的第二阀，所述第二阀构造成选择 性地将来自所述第一源的燃料和来自所述第二源的燃料仅引导到所述多个 第二燃料喷射器。
17、 根据权利要求14所述的发动机，其特征在于，所述燃料喷射器构 造成接收来自所述第一和第二源的燃料，并且还包括控制器，所述控制器 与所述单个阀连通并且构造成基于期望喷射压力来影响所述单个阀的操作 和所引起的燃料压力。
18、 一种喷射燃料的方法，该方法包括将第一燃料流加压至第一压力； 将第二燃料流加压至第二压力；在单个位置接收所述第 一和第二燃料流，并且响应性地产生第三压力 的第三燃料流；将所述第三燃料流引导到喷射器；和 选择性地喷射所述第三燃料流。
19、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，响应性地产生包括组 合处于所述第一压力的燃料和处于所述第二压力的燃料以产生第三压力的 燃料流。
20、 根据权利要求18所述的方法，其特征在于， 所述第三燃料流仅包括来自所述第一燃料流的燃料；并且 所述第三燃料流的压力基于所述第二燃料流的压力从所述第一燃料流被调节。
全文摘要
公开了一种用于发动机的燃料系统。该燃料系统具有构造成将燃料加压至第一压力的第一源和构造成将燃料加压至第二压力的第二源。该燃料系统还具有构造成接收燃料并将燃料喷入发动机的燃料喷射器(32)，和设置在所述燃料喷射器与所述第一和第二源之间的单个阀(102)。所述单个阀与所述第一和第二源及所述燃料喷射器流体连通，并且能够向所述燃料喷射器输送可变压力的燃料。
文档编号F02M47/02GK101490404SQ200780026460
公开日2009年7月22日 申请日期2007年5月18日 优先权日2006年5月24日
发明者D·H·吉布森 申请人:卡特彼勒公司