用于将液体燃料和气体燃料共同喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射阀和方法

专利名称：用于将液体燃料和气体燃料共同喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射阀和方法
技术领域：
本发明涉及用于将液体燃料和气体燃料共同喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射 阀和方法。当针从落座位置升起时，两种燃料都被喷射进内燃机的燃烧室。
背景技术：
由于天然气的容易获得、低成本以及减少微粒排放的潜力，因此天然气是用于供 给压燃式发动机(一般称为“狄塞尔循环”发动机)的柴油燃料的有希望的替代物。虽然天 然气作为用于已公开的装置和方法的优选燃料的实施例被公开，但是本技术领域的技术人 员会理解这些研发进展也可用其他合适的燃料来实施，例如氢气、丙烷或任何其他燃料，这 些燃料可以替代柴油燃料为发动机供油，同时基本相配传统柴油燃料发动机的性能，并且/ 或者降低微粒物质和/或氮氧化物(“NOx”)的排放。将气体燃料引入到发动机的传统方法将所有气体燃料与吸入空气预混合，这是一 种称为“熏蒸(fumigation)”的方法。使用所述方法的发动机已经不能匹配柴油燃料发动 机的功率、性能和效率，这主要是因为由于当存在过早爆震燃料(premature detonation fuel)时会发生发动机敲缸的风险，能够按此方式被引入的燃料量在特定工况下会被限制。 已经发现，当至少一些气体燃料在压缩冲程晚期时被直接引入发动机燃烧室时，可以与传 统柴油燃料发动机的有利的工作特性和高效率相配。因此，需要用于将气体燃料直接喷射 进燃烧室的装置和方法。在被设计用液体燃料(例如柴油燃料)作燃料的发动机中使用气体燃料(例如天 然气)取代液体燃料的挑战是，相比较液体燃料(例如柴油燃料)，通常需要更高的温度和 压力使气体燃料自动点火。因此，为了在不必完全重新设计发动机的情况下在传统发动机 中以相同的压缩比燃烧气体燃料，要求一些机构——例如由预热塞(glow plug)提供的热 表面，或用于引入引燃燃料的燃料喷射阀——帮助气体燃料的点火。引燃燃料可以是少量 的液体燃料(例如柴油燃料)，该液体燃料自点火以触发气体燃料的点燃。除了主要注入气体燃料还使用引燃燃料，这可以要求安装两个可独立操作的喷 射阀，一个用于引燃燃料并且一个用于气体主燃料。为避免必须重新设计和替换缸体盖 以容纳两个喷射阀，优选地是使用单个阀用于喷射液体燃料和气体燃料二者，所述单个阀 装进与传统柴油燃料喷射阀相同的开口。申请人的共同拥有的6，073，862、6，336，598、 6，439，192,6, 761，325和7，124，959号美国专利描述了包括双针组件的双燃料喷射阀的不 同实施方案。这些专利描述了优选实施方案，在这些优选实施方案中，外部针和内部针均可 相互独立地移动在各自打开和关闭位置之间，从而独立地将气体燃料和液体燃料直接喷射 进内燃机的燃烧室中。虽然使用所述双燃料喷射阀便于安装进被设计为接受单个柴油燃料 喷射阀的缸体盖，但是相比于仅具有一个针的传统单燃料喷射阀，带有两个独立可操作针 的燃料喷射阀的结构有些复杂，并且其装配要求更精确及更仔细。因此，有利的是，使用仅具有一个在关闭和打开位置之间可移动的针的喷射阀，所述喷射阀当在其打开位置时喷射气体燃料和液体燃料二者进入发动机燃烧室。这种喷射阀 在已公开的WO 2008/000095号PCT专利申请中有描述。液体燃料穿过设置在针内的孔，并 被弓丨入喷射阀中的腔室，在喷射事件期间，液体燃料在所述腔室中混入气体燃料。液体燃料 被到燃烧室的气体流雾化。虽然相比于双针解决方案，该喷射阀的整体结构简化了，但是带 有内部孔的针的结构仍旧复杂。虽然在简化用于将气体燃料和液体燃料喷射进内燃机的燃烧室的喷射阀的结构 方面已经有一些进步，但是仍需要进一步降低喷射阀结构的复杂性。

发明内容
一种燃料喷射阀将液体燃料和气体燃料直接共同喷射进内燃机的燃烧室。所述燃 料喷射阀包括a.阀体，其包括气体燃料入口和分立的液体燃料入口，该阀体可安装在所述内燃 机中，使得喷嘴端部被设置在所述燃烧室内；b.气体燃料供给通道，其被设置在所述阀体内并且与所述气体燃料入口和靠近所 述喷嘴端部的腔流体连通；C.针，其被设置在所述阀体中并且在当所述针压靠与所述阀体相关联的支座时的 关闭位置和当所述阀从所述支座升起离开时的打开位置之间是可移动的，从而允许所述腔 和所述燃烧室之间的流体连通；d.液体燃料供给线，其被设置在所述阀体内并且与所述液体燃料入口和所述腔流 体连通，其中所述液体燃料供给线包括限流通道，该限流通道限制进入所述腔的液体燃料 流动；以及e.致动器，其可操作以在所述关闭位置和所述打开位置之间移动所述针。所述针具有实心主体。所述液体燃料供给线还包括单向阀，该单向阀允许液体燃 料从所述液体燃料入口流到所述限流通道，并防止流体从所述液体燃料供给线溢出回到所 述液体燃料入口。在一些实施方案中，所述限流通道被限定在所述阀体和所述针之间。所述喷射阀 可以还包括在所述针和所述阀体之间形成的上腔室，该上腔室与所述液体燃料供给线流体 连通并且通过所述针和所述阀体之间的环形间隙与所述腔分离。所述环形间隙可以作为所 述限流通道，所述液体燃料可经过所述限流通道流进靠近所述燃料喷射阀的喷嘴端部的所 述腔。所述上腔室可被所述针和所述阀体中沟道限定，或者被所述针中的针孔和横向凹槽 限定。当所述限流通道被所述针和所述阀体之间的所述环形间隙限定时，所述喷射阀还可 包括所述阀体内的第二限流通道，该第二限流通道将所述液体燃料供给线流体地连接到所 述腔。在这些实施方案中，所述第二限流通道可包括由孔形成的通道，所述孔具有设置在所 述孔中的节流孔口。除了所述节流孔口或者代替所述节流孔口，所述第二限流通道还可包 括设置在所述第二限流通道中的单向阀，该单向阀允许液体燃料流进所述腔并且防止流体 经所述液体燃料供给线流出所述腔。在其他实施方案中，所述限流通道被限定在所述阀体内，并且液体燃料不经过在 所述阀针和所述阀体之间的间隙。所述阀体内的所述限流通道可包括节流孔口。在一些实 施方案中，所述限流通道还包括单向阀，该单向阀允许液体燃料从所述液体燃料入口流向所述限流通道并且防止流体经所述液体燃料供给线从所述腔中溢出。即使没有在附图中示出，本技术领域的技术人员会理解，如上文所述的被采用以 防止流体经所述液体供给线从所述腔中溢出的单向阀可包括用于偏压该阀的弹簧或任何 其他机械工具，以使得仅当所述增强器被驱动时所述单向阀打开。在优选实施方案中，所述燃料喷射阀还包括增强器，以增加在所述限流通道上游 所述液体燃料供给线内所述液体燃料的压力，该增强器带有与所述液体燃料供给线连通的 出口。所述增强器可被设置在所述阀体内并还可包括柱塞，该柱塞在缸体内移动以通过抽 取液体燃料进入所述缸体来计量所述液体燃料，并且随后从所述缸体排放已计量量的液体 燃料。在一些实施方案中，所述柱塞的致动是可调节的，以改变柱塞移动的距离，借此计量 的量可被改变。所述柱塞可被驱动活塞液压致动，该驱动活塞具有比所述柱塞横截面面积 更大的横截面面积，借此所述驱动活塞的较大横截面面积使得所述液体燃料能被加压到比 作用在所述驱动活塞上的液压流体的压力更大的压力。在优选的实施方案中，所述液体燃料供给线同与所述驱动活塞相关联的液压流体 通道连通，借此所述液体燃料被用作用于驱动所述增强器的液压流体。在所述关闭和打开 位置之间移动所述针的所述致动器除了移动所述针之外，还可操作以驱动所述增强器。在 其他实施方案中，可以采用第二致动器，该第二致动器可操作以仅驱动所述增强器。提供一种用于将液体燃料和气体燃料直接共同喷射进内燃机的燃烧室的方法。该 方法包括a.将所述气体燃料输送到燃料喷射阀内的腔，当针被提起离开所述燃料喷射阀的 阀座时，所述腔与所述燃烧室连通；b.将所述液体燃料经液体燃料供给线输送到所述腔，借此在将所述针从所述阀座 提起之前，至少一些所述液体燃料在所述腔中与所述气体燃料混合，所述液体燃料供给线 包括在所述燃料喷射阀的主体内或在所述主体和所述针之间设置的限流通道；c.通过提起所述针离开所述阀，将所述液体燃料和所述气体燃料从所述腔共同喷 射进所述燃烧室。所述方法还可包括通过控制所述液体燃料供给线中液体燃料压力来调整所述液 体燃料经过所述限流通道的流动。在一些实施方案中，所述液体燃料供给线中的液体燃料 压力可以通过调整共轨燃料系统中的液体燃料压力来调整。所述方法还可包括将所述气体燃料以喷射压力从共轨气体燃料系统输送到所述 腔。在优选的实施方案中，所述方法还可包括以比所述气体燃料的所述喷射压力更高的液 体燃料压力，将预定量的所述液体燃料从共轨液体燃料系统输送到所述液体燃料供给线。在优选的实施方案中，所述方法还包括在所述液体燃料被输送到所述燃料喷射 阀的所述腔之前计量所述液体燃料。所述液体燃料的计量可被完成，以使得被输送到所述 燃料喷射阀的所述腔的液体燃料的量根据所述内燃机的运行被调节。在优选的实施方案中，所述方法还包括通过与所述液体燃料供给线连通的增强 器的操作，在所述液体燃料被输送到所述腔之前，增加所述液体燃料的压力并计量所述液 体燃料的量。根据本文中公开的一些实施方案，所述方法还包括独立于所述针的提起，控制所 述液体燃料供给线中的压力。


图1和图2分别示出了双燃料喷射阀的第一实施方案的正视截面图和侧视截面 图，所述双燃料喷射阀带有实心针以及由在针和所述燃料喷射阀主体之间的间隙形成的限 流通道，该限流通道用于将液体燃料弓I入设置在所述燃料喷射阀中的腔。图3示出了可以用在本发明的任意实施方案中的针的变体和阀体结构的变体的 细节截面图；图4、5和6分别示出了双燃料喷射阀的第二实施方案的正视截面图、侧视截面图 和细节截面图，其中液体燃料从入口直接供给到连接到增强器的通道；图7、8和9分别示出了双燃料喷射阀的第三实施方案的正视截面图、侧视截面图 和细节截面图，该双燃料喷射阀带有在该喷射阀主体内形成的限流通道。图10和11分别示出双燃料喷射阀的第四实施方案的正视截面图和侧视截面图， 该双燃料喷射阀带有在针和针腔壁之间形成的限流通道以及在阀体内形成的另一个限流 液体燃料通道，用于将液体燃料喷射进该燃料喷射阀的下腔室。图12和13示出了双燃料喷射阀的第五实施方案，该实施方案在阀针和针腔壁之 间形成的限流通道方面共享在第一实施方案中示出的一些特征，除了仅采用一个液压流体 控制阀来控制液体燃料计量并致动该燃料喷射阀的针。图14和15示出了用于计量液体燃料和致动燃料喷射阀的针的不同液压简图。图16和17示出了双燃料喷射阀的第六实施方案，该燃料喷射阀没有内部液体增 强器，并具有在喷射阀主体内形成的限流通道。在这些附图示出的实施方案中，两种燃料被 直接引入阀体内提供的腔。所有图片示出的示意性视图并没有按比例绘制，一些部件相对于其他部件较大地 示出，以更好地示出其功能。
具体实施方案一种具有一个针的燃料喷射阀，能够将液体燃料和气体燃料共同喷射进内燃机的 燃烧室。气体燃料和液体燃料被输送到燃烧喷射阀内的同一个腔，然后当针从其支座升起 到打开位置时被一起共同喷射进内燃机的燃烧室。在本文中，“共同喷射”用来指气体燃料 和液体燃料二者同时喷射进内燃机的燃烧室，这是一种技术上不同于以下发动机的方法， 所述发动机将液体燃料和气体燃料分开喷射进燃烧室。在优选实施方案中，气体燃料是天然气，但是也可以是在发动机内可燃烧的任何 其他气体燃料，例如丙烷或氢气。液体燃料可以是在压燃式发动机中比气体燃料更容易自 点火的柴油或其他液体燃料，例如二甲醚(dimethylether)。已示出的实施方案示出喷射阀针和可选的内部增强器的不同布局，所述内部增强 器用于计量和增加液体燃料的压力。在一些实施方案中，阀针和增强器被共享的致动器致 动，并且在其他实施方案中，阀针和增强器可以各自具有它们自己专用的致动器。在示出的 实施方案中，致动器是使用高压液压流体的液压致动器。通过操作一个或多个液压流体控 制阀，操控控制室内的液压流体的压力，以控制阀针和/或增强器中的柱塞的运动。例如， 一个液压流体控制阀可以用来将控制室连接到低压排出管，并且一个孔口可以用于限制从高压液压流体源到控制室的流动。液压流体控制阀通常是电操作和电子控制的电磁阀。传 统的电子控制可以用于控制电磁阀的启动并因此控制计量和喷射事件的时机选择和持续 时间。代替液压致动器，其他已知类型的致动器也可以用于致动阀针和/或增强器，例如机 械、电磁、压电或磁致伸缩致动器或几者的结合。例如，为允许压电致动器所产生的较小位 移被采用，可以结合机械或液压位移放大器使用。机械位移放大器(例如杠杆)和使用不 同直径活塞的液压位移放大器是已知的。在本发明燃料喷射阀的优选实施方案中，如果致动器是液压致动器，则液压液体 和液体燃料是相同的流体，由此燃料喷射阀内的液体燃料和液压液体通道都被连接到高压 液体燃料歧管，当相同的歧管为多缸发动机中多个喷射阀服务时，被称为“共轨”。为了简化燃料喷射阀内的内部流体通道的图示，附图中的一些示意性图示示出了 带有多个入口和出口的燃料喷射阀。本技术领域的技术人员会理解，内部流体通道可以用 来以基本等价结构减少阀体内的流体入口和排出端口的数量。参考附图，图1和图2示出了双电磁线圈燃料喷射阀的优选实施方案的正视截面 图和侧视截面图。阀体的外部可以被成形以匹配内燃机缸体盖中的开口，所述阀体将被安 装在该开口中。在这个实施方案中，使用两个液压流体控制阀，一个控制液体燃料的计量和 加压，一个用于致动阀针，从而将气体燃料和液体燃料喷射进燃烧室。如图所示，每个液压 流体控制阀被电磁线圈致动。燃料喷射阀100具有阀体102，阀体包括容纳针106的腔104。在所示的位置，针 106压靠设置在阀体102中的支座108。并且在腔104和喷射腔110之间没有流体经过。针 106可被包括液压流体控制阀116的致动器所致动，液压流体控制阀116被电磁线圈114操 作。当所述致动器将针106从其落座位置提起时，腔104流体连接到喷射腔110和喷射孔 口 112，以允许燃料喷射进内燃机的燃烧室。针106具有在设置在阀体102内的孔中延伸的一部分，借此，环形通道120在针 106和所述孔的壁之间形成。所述孔和针106的尺寸被设计为使得环形通道120的尺寸小， 以使环形通道120充当用于经环形通道120流进腔104的液体燃料的限流通道。针106具 有实心主体(solid body)，以使得提供给腔104的液体燃料在没有穿过针106的主体的情 况下流经环形通道120。在这个实施方案中，也有上腔室122，其也由针106和阀体102之 间的环形空间形成。上腔室122和腔104经限流通道120彼此流体连通。在一些现有技术中已知的双针燃料喷射阀中，阀针与阀针孔匹配配合 (match-fit)。在这些情况中，液体密封可以被用于防止气体燃料在针和针孔之间泄漏，并 且结合在液体密封中的气体燃料和液体之间小压差，所述匹配配合将泄漏进气体燃料的液 体燃料减少到可以忽略的量。图1和图2中所示出的实施方案以及在所有其他示出流体地 连接到上腔室122的环形通道120的实施方案中教导了一种不同的方法。对于本发明公开 的燃料喷射阀，没有试着将泄漏减少到可忽略的量，而是环形间隙120的尺寸被设计为允 许加压液体燃料受控地流入腔104，在腔104处加压液体燃料与气体燃料混合。在优选的实 施方案中，经过环形通道120的流速可以通过控制被输送到环形通道120的液体燃料的压 力，以及通过控制用于调节液体燃料压力的时机选择来调节。因为在一些实施方案中，由环 形通道120所提供的限流通道被设计成为液体燃料在针和阀体之间提供流动通路，间隙的 尺寸可以比已知的燃料喷射阀更大，并且这样的优势是对可能与针106和阀体102的部件相关联的尺寸不规则更宽容，简化了燃料喷射阀100的制造和组装工艺。喷射阀100也可以包括用于在将液体燃料输送进腔104之前升高液体燃料的压力 的内部液体燃料增强器136。通过升高液体燃料的压力，所述增强器确保至少已计量量的液 体燃料被引入腔104。增强器136经连接通道138与上腔室122流体连结并且可以通过被 电磁线圈140控制的液压流体控制阀142操作。增强器136包括设置在缸体152中的柱塞 144和设置在驱动腔室150中的驱动活塞146。驱动活塞146具有横截面面积Al并且柱塞 144具有较小的横截面面积A2。柱塞144和驱动活塞146可以制成两个分立的部件(如图 1所示)，或者制成具有不同横截面的两部分的单个部件。如图1所示，液压流体控制阀142在其正常位置是关闭的，借此，控制阀构件154 被弹簧156偏压到其落座位置，阻塞排出管158和驱动腔室150之间的连通。液压流体供 给通道160设有节流孔口 162，与驱动腔室150持久连通。当控制阀构件IM通过给电磁线 圈140通电而离座时，节流孔口 162减慢高压液压流体的输送，从而允许驱动腔室150内的 液压流体压力减小，借此驱动活塞146和柱塞144上升以允许已计量量的液体燃料流进缸 体152。在要求量的液体燃料被抽取进缸体152之后，控制阀构件IM通过给电磁线圈140 断电而落座，以使驱动腔室150与排出管158隔离并且经过供给通道160进入驱动腔室150 的高压液压流体推动驱动活塞146向下，从而加压缸体152中的液体燃料，该液体燃料被排 放回到连接通道138并且从连接通道138经过环形通道120进入腔104。液压流体控制阀116以与液压流体控制阀142相同的原理工作，但是控制阀针106 的移动，而不是柱塞144的移动。在喷射事件之间，控制阀构件164被控制阀弹簧170偏压 到其落座位置，阻塞排出管172和控制腔室174之间的流体连通。液压流体供给通道176 与控制腔室174经节流孔口 178持久连通。当控制阀构件164通过给电磁线圈114供电从 其落座位置升起时，液压流体经打开的控制阀116从控制腔室174以比液压流体可以经节 流孔口 178被补充的速度更快的速度排出，从而允许控制腔室174内的液压流体压力减小 并且允许阀针106抵抗阀弹簧182的偏压而升起。燃料喷射阀100的与气体燃料和液体燃料的共同喷射相关的方面现就图1和2中
示出的第一实施方案作进一步详细地解释。液体燃料在液体燃料入口 130被供给到燃料喷射阀100，液体燃料入口 130与将 液体燃料从液体燃料入口 130输送到腔104的液体燃料供给线连通。在这个实施方案中， 液体燃料供给线包括液体燃料通道132、单向阀134、上腔室122和连接通道138，连接通道 138与增强器136的缸体152连通。单向阀134允许液体燃料流进上腔室122并且防止液 体燃料在相反方向上的回流。增强器136计量的液体燃料的量为通过操作柱塞144从缸体 152转移的量。液体燃料供给线还包括限流通道，在该实施方案中该限流通道由环形通道 120提供，当已计量的液体燃料被推出增强器136并进入腔104时流经该限流通道。当控制腔室174的液压流体压力被减小以提起针106时，上腔室122的液体燃料 压力可以高于控制腔室174的液压流体压力。为了防止液体燃料从上腔室122上方的环形 间隙流走，可以采用一个或多个特征。例如，阀止挡件180可以包括阀杆，该阀杆与控制腔 室174的上端部接触，并且该止挡件的底座可以覆盖用于和液压流体通道连通的通道的开 口，以防止液体燃料在此方向上流动。止挡件180的底座优选地被制成和控制腔室174匹 配配合，从而也防止流体从上腔室122流到控制腔室174。如另一个实施例，密封件——例如弹性0形环——可以被采用以密封阀止挡件180的底座抵靠在阀体上。在其他实施方案 中，针匹配配合在控制腔室174和上腔室122之间的阀针孔118，并且阀针孔118的这部分 可以做的足够长，以实现在这些腔室之间要求的密封。在另一个变体中，针的横截面面积沿 着其纵轴线变化，以使得针106匹配配合仅在上腔室122上方的阀体，针106在上腔室122 下方具有较小尺寸，以为由环形通道120提供的限流通道提供已设计的面积。阀止挡件180优选地被固定到针106或者作为针的整体部分，以防止液体燃料渗 透在所述针和阀止挡件之间，并且分离且彼此间隔开所述这两个部件。气体燃料被供给到入口 1 并且流经气体燃料通道1 进入腔104。被计量进入 腔104的液体燃料可在腔104中与气体燃料一同累积，然后当针106从其落座位置升起时 气体燃料和液体燃料被喷射进内燃机的燃烧室。在燃料喷射事件之前，当给电磁线圈140断电时，液压流体控制阀142被弹簧156 偏压在其关闭位置。经通道160供给到驱动腔室150的高压液压流体保持柱塞144在向下 延伸的位置。当液体燃料被采用作为液压流体时，驱动腔室150的液压流体压力基本与液 体燃料的轨压(rail pressure)相同。经柱塞144下方的连接通道138所引入的液体燃料 也基本在液体燃料轨压处。在这种情况下，驱动活塞146和柱塞144之间的横截面面积差 保持柱塞144在其向下延伸的位置，从而最大化柱塞上方驱动腔室150的容积并最小化柱 塞144下方缸体152的容积。如上文描述的，即使液压流体的压力等于或小于液体燃料压 力，驱动活塞146和柱塞144之间的横截面面积的差别被设计成保持柱塞144在其向下延 伸的位置。如下所述执行液体燃料的计量。在给电磁线圈140通电后，液压流体控制阀142 打开，从而将驱动腔室150连接到排出管158。因为由于经过孔口 162的限流，液压流体经 排出管158排出比其被补充的速度快，所以驱动腔室150内的压力减小。在液压流体从驱 动腔室150经打开的液压流体控制阀142排出的同时，由连接通道138的液体燃料在柱塞 144的较小面积A2上产生的力足够提起柱塞，并且液体燃料被抽入缸体152。被计量的液 体燃料的量可以通过控制电磁线圈140通电时间的长度、以及控制柱塞44的行程长度来控 制，因此控制了被抽入缸体152的液体燃料的量。液体燃料的计量量可以根据不同的发动 机工况来调节。例如，当发动机运行在低负荷时，在预定的工况下，较少的液体燃料被引入 内燃机的燃烧室。当要求量的液体燃料已经被抽进缸体152时，电磁线圈140断电，并且控 制阀构件IM被弹簧156恢复到其关闭位置。替代地，为了计量基本固定量的液体燃料，电 磁线圈140通电，直到驱动活塞146到达在驱动腔室150内设置的止挡件或到达驱动腔室 150的顶部壁。通过关闭液压流体控制阀142，驱动腔室150内的液压流体压力再次升高到 接近轨压的压力。在驱动腔室150产生的压力移动柱塞144向下，以压缩并且加压缸体152 中累积的液体燃料。加压后的液体燃料因此被迫使离开缸体152，经过连接通道138进入 上腔室122。离开增强器136的已加压液体燃料的压力足够进一步推动液体燃料经过环形 间隙120提供的限流通道进入腔104。经通道132流回入口 130的加压液体燃料被单向阀 134阻止溢出，当单向阀134关闭时也阻止任何更多的液体燃料的供给。当电磁线圈144通电时喷射事件被触发，并且液压流体控制阀116的控制阀构件 164从其支座提起，以至于控制腔室174与排出管172液体连通。因为由于经过孔口 178的 限流，液压流体经排出管172排出比其被补充的速度快，所以控制腔室174的压力减小。当控制腔室174的压力减小时，腔室104的流体压力对针106起作用，以提起针离开针座108， 以此将气体和液体燃料从腔104经喷射腔110和喷射孔口 112共同喷射进燃烧室。当液体 燃料和气体燃料的混合物经过喷射孔口 112时，大部分的液体燃料发生雾化。针106的向 上移动也被机械止挡件180限制，止挡件180限制针弹簧182的压缩。当电磁线圈114断电时喷射事件停止，并且液压控制阀构件164被控制阀弹簧170 促使进入其关闭位置。因此控制腔室174又被连接到液压流体供给线，并且在该腔室内产 生的压力结合阀弹簧182的力共同促使针进入其落座位置，被压靠至阀座108。在一替代实施方案中(未示出)，增强器的驱动活塞和柱塞可以具有相同的横截 面面积，并且在这些实施方案中，驱动活塞和柱塞二者可以被具有有一致横截面面积的单 个柱塞所替代。在这个情况中，输送到供给通道160的液压流体的压力被控制，以使得在液 体燃料计量阶段所述压力低于输送到入口 130的液体燃料的压力，以使得柱塞144被提起 到其上部位置并且允许要求量的液体燃料流进缸体152。在这个情况中，在液体燃料加压阶 段，输送到通道160的液压流体的压力高于输送到入口 130的液体燃料的压力，从而推动已 计量量的液体燃料经限流通道120进入腔104。如果被连接到液体燃料入口 130的相同的 液体燃料轨被连接到液压流体供给通道160，那么如果液体燃料压力高于气体燃料压力，则 随后柱塞可以被操作以计量被输送到腔104的液体燃料的量，但是不会加强液体燃料的压 力，这是因为被输送到驱动腔室150的流体压力会与被抽进缸体152的液体燃料的压力相 同。在另一个未被示出的实施方案中，增强器包括置于驱动活塞和驱动腔室顶部壁之 间的弹簧。因为该弹簧提供的机械辅助，即使所述驱动腔室具有与增强器缸体相同的横截 面面积，当输送与被引入所述增强器缸体的液体燃料具有相同压力的加压流体时，液体燃 料也可以被加强。增强器可以被控制阀致动，该控制阀控制液压流体到增强器的驱动腔室 的输送。当所述控制阀打开以将所述驱动腔室连接到排出管或较低压回路，供给到增强器 缸体的液体燃料提起柱塞并压缩所述弹簧。当所述控制阀关闭时，输送到驱动腔室的液压 流体推动增强器的活塞向下，计量和加压从所述增强器的缸体排出的液体燃料。在又一个实施方案中(未示出)，增强器的柱塞可以直接由电磁线圈——例如管 状电磁线圈——致动，而不使用液压流体控制阀。除了致动器的类型，增强器可以按类似于 上文中描述的实施方案的方式操作，以加压并计量所要求量的液体燃料。燃料喷射阀的其他实施方案在图3到图15中示出。这些实施方案具有许多与图1 和2中示出的实施方案的相似部件等同的部件，并且相同部件由相同参考数字标识。该技 术领域的技术人员会理解在本公开文本中，每个实施方案中相同数字的部件以基本相同的 方式运作。相应地，如果相同部件已经关于一个实施方案进行描述，同时在其他实施方案的 附图中标识，则相同部件的目的和功能可以不必在每个所示实施方案中重复。在图3中示出的实施方案中，针186包括凹槽190并且容纳针186的孔具有围绕 针的直壁，以使得上腔室192在凹槽190和所述孔的壁之间形成。在这个实施方案中，凹槽 190优选地被设计带有在针的纵向方向的跨度，其允许通道132、138和上腔室192之间独立 于针186在孔内的移动的持久连通。图4、5和6示出了公开的燃料喷射阀的示出的第二实施方案。如图6所示(图6 是阀体102在图4中示出的A-A截取的截面图)，液体燃料被供给到入口 230，然后到达包括通道232的液体燃料供给线。通道232经连接通道138与增强器136连通。通道232设 有单向阀234，以确保液体燃料从入口 230到连接通道138的单向流动。如图4所示，已加 压的液体燃料从增强器经连接通道138、上腔室122以及由环形间隙120提供的限流通道供 给到腔104。燃料喷射阀200与参照图1和2所描述的燃料喷射阀100类似地运行。当电磁线 圈140通电时，液压流体控制阀142打开，柱塞144升起，并且液体燃料从液体燃料入口 230 经通道232和连接通道138被抽到增强器缸体152。当所要求量的液体燃料被引入缸体152 时，电磁线圈140断电，液压流体控制阀142关闭，并且液压流体被供给到驱动腔室150，从 而推动柱塞144向下并迫使液体燃料离开缸体152。通过流经连接通道138和上腔室122， 并且被向下推动经过由环形间隙120提供的限流通道，已加压的液体燃料被输送到腔104。在该实施方案中，液体燃料在到达增强器的途中没有经过上腔室122。液体燃料仅 在从连接通道138到腔104的途中经过上腔室122。这种布局的一个优势是经过限流通道 的液体燃料泄漏可以被充分减少并且作为结果，供给到腔104的液体燃料的量可以更好地 被控制。如图5所示，对于燃料喷射阀200，用于将气体燃料输送到腔104的通道和用于控 制阀针106致动的致动器可以与图2中为燃料喷射阀100示出的布局相同。也就是，气体燃 料在气体燃料入口 126处被供给到燃料喷射阀200，并且从该入口，气体燃料流经通道1 进入腔104。在喷射事件之间，输送到腔104的液体燃料可以与气体燃料在腔104累积。当 电磁线圈114通电并且阀针106升起时，气体燃料和液体燃料二者经孔口 112被喷射进燃 烧室，孔口 112设在燃料喷射阀200的喷嘴端部。图7、8和9示出了公开的燃料喷射阀的第三实施方案。在这个实施方案中，从增 强器136排放的液体燃料经连接通道138和由通道322中节流孔口 320提供的限流通道流 到腔104。节流孔口 320基本防止了任何液体燃料经通道322泄漏进腔104，除了当已计量 量的液体燃料从增强器136排放时。另一个单向阀(未示出)可以安装在通道322中节流 孔口 320的上游，以仅当液体燃料的压力超过一个预定值时允许液体燃料从增强器136到 腔104的单向流动。燃料喷射阀300与第一和第二实施方案中描述的阀类似地运行。当电磁阀140通 电时液体燃料被吸入增强器136，并且当电磁阀140断电且柱塞144将液体燃料从增强器的 缸体排转移时，已加压的液体燃料从增强器136经通道322排放进入腔104。该实施方案的 优势是其可允许更好地控制供给到腔104的液体燃料的量，这是因为定位和存在所述节流 孔口 320和/或上文所述的安装在通道322上的单向阀。因此可充分减少液体燃料泄漏进 腔104。流经节流孔口 320的液体燃料也以部分雾化态到达腔104，从而允许在液体和气体 燃料被共同喷射进燃烧室之前二者更好地混合。在该实施方案中，阀体可包括另一个流体 通道(未示出)以将高压液体燃料供给到阀体102的凹槽(未示出)，从而产生充满液体燃 料的密封环，围绕针106。密封凹槽定位为横切于针106的纵向轴线。所述密封环可防止液 体从腔104溢出到控制腔室174并也可以改进针的润滑。在图10和11中，燃料喷射阀400示出了所公开的燃料喷射阀的第四实施方案。在 该实施方案中，连接通道138经两个流动通路与腔104连通。一个流动通路包括连接通道 138、上腔室122以及由环形间隙120提供的第一限流通道，并且另一个流动通路包括由通道422提供的第二限流通道和节流孔口 420。通道422还包括单向阀424，其位于节流孔口 420的上游。液体燃料从入口 130经液体燃料供给线供给到腔104，所述液体燃料供给线包 括通道132、上腔室122、连接通道138、第一限流通道和第二限流通道。气体燃料从气体燃 料入口 1 经通道1 供给到腔104。燃料喷射阀400与在前述实施方案中描述的阀类似地运行。当电磁线圈140断电 时，从增强器缸体152中转移的已计量量的液体燃料经两个限流通路被推进腔104。在该实 施方案中，经通道422中的节流孔口 420被喷射进腔104的第一部分液体燃料是部分雾化 的，这改进了在腔104中这部分液体燃料和气体燃料之间的混合。同时，通过推动液体燃料 经过上腔室122以及由环形间隙120提供的限流通道，针106被更好地润滑。在该实施方案中，液体燃料可以经穿过上腔室122的通道132被供给到燃料喷射 阀400，如图10和11中示出的，或者作为替代的，类似于图6中示出的实施方案，经过与燃 料增强器直接连通的通道(未示出)被供给到燃料喷射阀。增强器和阀针各自可以通过由上文描述的电磁线圈所控制的液压流体控制阀独 立地被致动，以使得当阀针在其落座位置或当针从其落座位置提起时(在喷射事件期间) 完成液体燃料的计量并将其输送到喷嘴腔。前述的实施方案示出了采用用于阀针和增强器的分立的和独立的致动器的燃料 喷射阀。在图12和13示出的实施方案中，燃料喷射阀500包括电磁线圈510，电磁线圈510 控制液压流体控制阀512以致动阀针106和液体燃料增强器536。液体燃料被供给到液体 燃料入口 130并从该入口在阀体102内经液体燃料供给线到达腔104，所述液体燃料供给 线包括通道132、上腔室122、连接通道138以及在该实施方案中由环形间隙120提供的限 流通道。气体燃料被供给到气体燃料入口 1 并从该入口在阀体102内经通道1 到达腔 104。三通滑阀的组合允许一个致动器控制阀针106和增强器536。当电磁线圈510断 电时，控制阀构件512在图12中所示出的位置，借此驱动腔室150被连接到排出管558。随 着驱动腔室150内的压力减小到排出压力，驱动活塞546和柱塞544上升，以使得驱动活塞 546的顶部停靠在驱动腔室150的顶部(或者提供一些其他特征以停止驱动活塞M6的移 动)，从而最大化从连接通道138被抽进缸体152的液体量。驱动活塞546在示出位置的情 况下，控制腔室174经通道574和由驱动活塞M6的环形凹槽548形成的通道与来自液压 流体入口 576的高压液压流体流体地连接。腔室174内产生的流体压力保持针106在其落 座位置。当电磁线圈510通电时，控制阀构件5M升起并且驱动腔室150与液压流体压力 入口 560流体地连接。结果，增强器的柱塞544被向下驱动，从而推动已计量量的液体燃料 从缸体152经连接通道138、上腔室122以及由环形间隙120提供的限流通道进入腔104。 同时，通过降低驱动活塞M6，凹槽548将控制腔室174连接到排出管572。控制腔室174 的压力被减少并且因此腔104内的流体压力将针106从其支座提起。一旦阀针106升起， 在腔104内累积的气体燃料和液体燃料经喷射孔口 112被共同喷射进燃烧室。如在图14和15的液压简图中进一步示出的，通过采用用于控制高压液体燃料到 液压致动器的输送的不同控制阀，增强器柱塞的移动和针的移动可以被控制，以实现不同 的操作模式。
图14示出本质上与图1和2中示出的燃料喷射阀100相同的燃料喷射阀600，除 了液压流体控制阀116和142被控制阀618所替代。从共轨617输送到燃料喷射阀600 的液体燃料在两个分支之间分开，一个分支通向控制阀618，另一个分支通向液体燃料入口 130。在该实施方案中，除了连接到共轨617，控制阀618还连接到用于控制增强器136运行 的驱动腔室150、用于控制阀针106运行的控制腔室174、以及排出管619。控制阀618包括 带有流体通道的阀构件，该阀构件用于切换驱动腔室150和控制腔室174在共轨617和排 出管619之间的连接。在示出的位置，控制阀618将共轨617与驱动腔室150和控制腔室 174连接，以使得高压液体燃料占据所述这些腔室，从而使柱塞144和阀针106保持位于如 图中所示的朝下位置。当控制阀618被切换为将驱动腔室150和控制腔室174连接到排出 管619时，在这些腔室中的液体燃料压力减小并且柱塞144收回，阀针106提起。当此情况 发生时，已经在腔104中累积的液体和气体燃料经喷嘴孔口 112被共同喷射进燃烧室，并且 同时液体燃料从连接通道138和上腔室122被抽进缸体152。为结束喷射事件，控制阀618 被切换回所示出的位置，以重新将驱动腔室150和控制腔室174连接到共轨617。这就推动 阀针106向下，直到其压靠阀门座，结束喷射事件。同时，重新被引入驱动腔室150的高压 液体燃料推动柱塞144向下，从而将液体燃料从缸体152排出，计量预定量的液体燃料进入 腔104，在腔104处，液体燃料累积直到在下一个喷射事件中与气体燃料共同喷射。图15示出了类似于图14的另一个布局，但是在该实施方案中，控制阀718包括带 有流体通道的阀构件，所述流体通道将驱动腔室150连接到排出管719同时控制腔室174 被连接到共轨717，并且反之亦然。除了在控制阀中的这个差别，燃料喷射阀700可与燃料 喷射阀600相同。当控制阀718在图15示出的位置时，控制腔室174被连接到共轨717并 且阀针106被压靠着阀门座，以使得燃料喷射阀700被关闭。同时，驱动腔室150被连接到 排出管719，所以柱塞144收回，并且在缸体152内容纳已计量的量的液体燃料，所述已计量 的量由柱塞144下方的缸体152的容积所预定。在喷射事件之间，为减少经过由环形间隙 120提供的限流通道的泄漏，在燃料喷射阀700内的气体燃料和液体燃料的压力保持接近， 并且为了防止气体燃料泄漏进液压流体通道，液体燃料压力优选地被保持在略高于气体燃 料压力。结果，在喷射事件之间，一些液体燃料可经环形间隙120从上腔室流进腔104。当 喷射事件被命令时，控制阀718中的阀构件切换位置并且驱动腔室150被连接到共轨717， 控制腔室174被连接到排出管719。当这种情况发生时，阀针106提起，同时增强器被致动， 从而将液体燃料从缸体152排出以确保至少预定量的已计量液体燃料被推动经过环形间 隙120，并且连同气体燃料被共同喷射。为结束喷射事件，控制阀718中的阀构件切换回图 15中示出的位置。在上述优选的实施方案中，燃料喷射阀包括内部液体燃料增强器。本技术领域的 技术人员会理解所述内部增强器可以被放在喷射阀体外并且与喷射阀流体地连结的外部 液体燃料增强器所替代。再者，如图16和17所述，燃料喷射阀可以通过采用阀和高压液体 燃料源代替增强器以类似的方式操作。在该实施方案中，液体燃料在液体燃料入口 830被 供给到燃料喷射阀800，并然后经过通道822中节流孔口 820提供的限流通道到达腔104。 通道822还包括位于节流孔口 820上游的单向阀824。仅当液体燃料的压力值超过预定值 时，单向阀拟4允许液体燃料从液体燃料入口 830到腔104的单向流动。液体燃料从高压 液体燃料源经阀840供给到液体燃料入口 830。阀840可以是电磁线圈致动的阀，类似于液压流体控制阀116。液体燃料的计量通过操作阀840将通道822连接到液体燃料供给源 或连接到排出管来执行。当通道822被连接到排出管时，单向阀拟4关闭，并且停止向通道 822的液体燃料供给。从液体燃料源供给到液体燃料入口 830的液体燃料的压力需要足够 大，以推动其经过节流孔口 820进入腔104。流经节流孔口 820的液体燃料以部分雾化态到 达腔104，从而允许液体和其他燃料更好的混合。 燃料喷射阀800与在前述实施方案中描述的阀类似地运行。当阀840允许通道822 流体地连接到高压液体燃料源时被转移的已计量量的液体燃料经限流通道被推进腔104， 在腔104处液体燃料与经通道1 供给到腔104的气体燃料混合。当电磁线圈114通电并 且阀针106升起时，液体燃料和气体燃料被共同喷射进内燃机的燃烧室。本技术领域的技 术人员会理解用于限流通道的类似解决方案可在此情况中实施。例如，限流通道可以是如 图1和2中示出的针和针腔壁之间提供的环形通道，或者是两个液体燃料通路，其包括环形 通道和在阀体内设有节流孔口的通道，如图10和11所示。燃料喷射阀800呈现出优于图1到15中示出的实施方案的一些优点，这是因为燃 料喷射阀800通过减少阀体内的部件的数量进一步简化了燃料喷射阀的结构。相反地，图 1到15中示出的内部增强器可允许更好地控制对进入燃烧室的液体燃料的计量。在上述一些实施方案中，例如在图14中示出的实施方案，当针被落座并且燃料喷 射阀被关闭时，被喷射的液体燃料的大部分被输送到腔。在其他实施方案中，例如图15中 示出的实施方案，当针从其支座升起时，大部分的液体燃料可以被引入。在另外其他公开的 实施方案中，例如采用带有专用致动器的增强器的实施方案，这些布局允许判定将液体燃 料引入腔的时机选择的灵活性。本发明已经关于多个说明性实施方案作出描述。所有公开的实施方案提供一种用 于将液体燃料和气体燃料直接共同喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射阀。然而，借助于本 公开文本，对本领域技术人员而言明显的是，在不偏离权利要求限定的本发明的范围的情 况下可以做出数种变体和改型。
权利要求
1.一种用于将液体燃料和气体燃料直接共同喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射阀，该 燃料喷射阀包括阀体，其包括气体燃料入口和分立的液体燃料入口，该阀体可安装在所述内燃机中，使 得喷嘴端部被设置在所述燃烧室内；气体燃料供给通道，其被设置在所述阀体内并且与所述气体燃料入口和靠近所述喷嘴 端部的腔流体连通；针，其被设置在所述阀体中并且在当所述针压靠与所述阀体相关联的支座时的关闭位 置和当所述阀从所述支座提起离开时的打开位置之间是可移动的，从而允许所述腔和所述 燃烧室之间的流体连通；液体燃料供给线，其被设置在所述阀体内并且与所述液体燃料入口和所述腔成流体连 通，其中所述液体燃料供给线包括在所述阀体内或在所述阀体和所述针之间限定的限流通 道，该限流通道限制进入所述腔的液体燃料流动；以及致动器，其可操作以在所述关闭位置和所述打开位置之间移动所述针。
2.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述针具有实心主体。
3.根据权利要求1所述的喷射阀，还包括增强器，以增加在所述限流通道上游所述液 体燃料供给线内所述液体燃料的压力，该增强器带有与所述液体燃料供给线连通的出口。
4.根据权利要求3所述的喷射阀，其中所述增强器被设置在所述阀体内并包括柱塞， 该柱塞在缸体内移动，以通过抽取液体燃料进入所述缸体并且随后从所述缸体排放已计量 量的液体燃料，来计量所述液体燃料。
5.根据权利要求4所述的喷射阀，其中所述柱塞的致动是可调节的，以改变柱塞移动 的距离，借此计量的量可被改变。
6.根据权利要求4所述的喷射阀，其中所述柱塞被驱动活塞液压致动，该驱动活塞具 有比所述柱塞的横截面面积更大的横截面面积，借此所述驱动活塞的更大的横截面面积使 得所述液体燃料能被加压到比作用在所述驱动活塞上的液压流体的压力更大的压力。
7.根据权利要求6所述的喷射阀，其中所述液体燃料供给线同与所述驱动活塞相关联 的液压流体通道连通，借此所述液体燃料被用作用于驱动所述增强器的液压流体。
8.根据权利要求1所述的喷射阀，还包括被设置在所述限流通道中的单向阀，该单向 阀允许液体燃料流进所述腔，并防止流体从所述腔经所述限流通道溢出。
9.根据权利要求1所述的喷射阀，还包括在所述针和所述阀体之间形成的上腔室，该 上腔室与所述液体燃料供给线流体连通并且通过所述针和所述阀体之间的环形间隙与所 述腔分离。
10.根据权利要求9所述的喷射阀，其中所述环形间隙作为所述限流通道，经过所述限 流通道所述液体燃料可流进所述腔。
11.根据权利要求9所述的喷射阀，其中所述上腔室由所述阀体中的沟道或所述针中 的横向凹槽形成。
12.根据权利要求10所述的喷射阀，还包括在所述阀体内的第二限流通道，该第二限 流通道将所述液体燃料供给线库流体连接到所述腔。
13.根据权利要求12所述的喷射阀，其中所述第二限流通道包括由孔形成的通道，在 所述孔中设置有节流孔口。
14.根据权利要求12所述的喷射阀，其中所述第二限流通道包括由孔形成的通道，在 所述孔中设置有单向阀，所述单向阀允许液体燃料流进所述腔并且防止流体经所述第二限 流通道流出所述腔。
15.根据权利要求3所述的喷射阀，其中除了移动所述针，所述致动器还可操作以驱动 所述增压器。
16.根据权利要求3所述的喷射阀，还包括第二致动器，其可操作以驱动所述增压器。
17.根据权利要求1所述的喷射阀，其中所述液体燃料供给线包括单向阀，该单向阀允 许液体燃料从所述液体燃料入口流到所述限流通道并且防止流体经所述液体燃料供给线 从所述腔中溢出。
18.一种用于将液体燃料和气体燃料直接共同喷射进内燃机的燃烧室的方法，该方法 包括将所述气体燃料输送到燃料喷射阀内的腔，当针升起离开所述燃料喷射阀的阀座时， 所述腔与所述燃烧室连通；将所述液体燃料经液体燃料供给线输送到所述腔，借此在将所述针从所述阀座提起之 前，至少一些所述液体燃料在所述腔中与所述气体燃料混合，所述液体燃料供给线包括在 所述燃料喷射阀的主体内或在所述主体和所述针之间设置的限流通道；以及通过提起所述针离开所述阀座，将所述液体燃料和所述气体燃料从所述腔共同喷射进 所述燃烧室。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括通过控制所述限流通道上游所述液体燃料供 给线中液体燃料压力来调整所述液体燃料经过所述限流通道的流动。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括以喷射压力将所述气体燃料从共轨喷射气体 燃料系统输送到所述腔。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以比所述气体燃料的所述喷射压力更高的液 体燃料压力，将预定量的所述液体燃料从共轨液体燃料系统输送到所述液体燃料供给线。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述液体燃料被输送到所述燃料喷射阀的 所述腔之前计量所述液体燃料。
23.根据权利要求22所述的方法，其中被输送到所述燃料喷射阀的所述腔的液体燃料 的量根据所述内燃机的运行被调节。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括通过与所述液体燃料供给线连通的增强器的 操作，在所述液体燃料被输送到所述腔之前，增加所述液体燃料的压力并计量所述液体燃 料的量。
25.根据权利要求18所述的方法，还包括独立于所述针的提起，控制所述液体燃料供 给线中的压力。
全文摘要
提供一种用于将液体燃料和气体燃料共同喷射进内燃机的燃烧室的燃料喷射阀。当一实心针升起到其打开位置时，该针调整液体燃料和气体燃料从所述燃料喷射阀中的腔进到所述燃烧室的喷射。在优选实施方案中，液体燃料在设于阀体内的增强器的缸体中被计量并被加压，并且该液体燃料经限流通道被输送到所述腔，在该腔处与所述气体燃料混合。所述限流通道可以由所述阀体中形成的小通道形成，或者由所述针和所述阀体之间的环形通道形成。
文档编号F02M21/02GK102105673SQ200980129508
公开日2011年6月22日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年6月27日
发明者D·芒福德, S·芒希 申请人:西港能源有限公司