专利名称：具有降低的衔铁腔压力的燃料喷射器的制作方法
技术领域：
本发明针对ー种燃料喷射器，且更具体地涉及ー种具有降低的衔铁腔压カ的燃料喷射器。
背景技术：
共轨燃料喷射器提供了ー种将燃料从公共供给轨道引入发动机的燃烧室内的方式。典型的共轨燃料喷射器包括打开控制阀的致动螺线管，该控制阀调节单向阀(check)的ー侧的燃料压力。随着压カ在单向阀处下降，单向阀提升并且燃料喷射开始。当单向阀处 的压カ上升时，单向阀关闭并且燃料喷射结束。因此，根据螺线管的衔铁通电的时间周期而喷射燃料。2006年3月21日公开的Puckett等人的美国专利No. 7，013，876中公开了这种燃料喷射器的ー个不例。与共轨燃料喷射器相关联的ー个普遍问题称为喷射器反弾。当控制阀快速关闭并且远离相关的阀座反弹时会发生喷射器反弾。当控制阀远离其阀座反弹时，形成了控制阀的关闭延迟，这种延迟会导致喷射结束的延迟和/或另外的燃料喷射。喷射延迟和另外的喷射会降低发动机效率并且导致不稳定的发动机运转。本发明的燃料喷射器解决了上述问题中的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。
发明内容
本发明的ー个方面针对ー种用于与衔铁组件联用的插件(insert)。该插件可以包括上表面，其构成为与衔铁组件的空腔流体地连通；下表面，其定位成与上表面相对并且构成为接合衔铁组件的壁；以及中央孔，其从上表面通往下表面并且构成为接纳衔铁组件的销。该插件还可以包括第一通路，其至少部分地形成在下表面内并且具有泄流部(effuser portion)、颈部和扩散部；以及第ニ通路,其从颈部延伸到上表面。本发明的另ー个方面针对ー种衔铁组件。该衔铁组件可以包括具有衔铁腔的体部、配置在衔铁腔内的衔铁、以及配置在衔铁腔内的插件。该插件中可以形成有构成为降低衔铁腔的压カ的文丘里管(venturi)的至少一部分。本发明的又ー个方面针对ー种燃料喷射器。该燃料喷射器可以包括燃料喷嘴和针元件，所述燃料喷嘴具有至少ー个喷射孔ロ，所述针元件具有尖端和基端。该针元件可以在第一位置与第二位置之间在燃料喷嘴内移动，在所述第一位置，针元件的尖端抑制燃料流通过所述至少ー个喷射孔ロ，在所述第二位置，针元件的尖端基本上未抑制燃料流通过所述至少ー个喷射孔ロ。该燃料喷射器还可以包括位于针元件的基端的控制腔室、体部、以及控制阀，该控制阀配置在体部内并且可移动以选择性地使控制腔室排泄，由此使针元件在第一位置与第二位置之间移动。该燃料喷射器还可以包括衔铁和减压装置，所述衔铁配置在体部的衔铁腔内并且选择性地通电以使控制阀移动，所述减压装置配置在体部内并且构成为降低衔铁腔的压力。
本发明的另ー个方面针对ー种喷射燃料的方法。该方法可以包括将高压燃料引入燃料喷射器的喷嘴，以及将低压冷却剂引入燃料喷射器的衔铁腔。该方法还可以包括使衔铁腔内的衔铁通电以允许高压燃料从喷嘴排放，并且使衔铁腔内的低压冷却剂的压力降低到蒸发点以下。
图I是示例性公开的燃料系统的局部截面图和概略图；图2是可以与图I的燃料系统联用的示例性公开的燃料喷射器的截面图；图3是图2的燃料喷射器的一部分的截面图；图4是图2的燃料喷射器的一部分的另ー个截面图；以及图5是图2的燃料喷射器的插件的图示。
具体实施例方式图I示出了发动机10和燃料系统12的一个示例性实施例。为了本发明的目的，将发动机10示出并描述为四冲程柴油发动机。然而，本领域的技术人员将会理解，发动机10可以是任意其它类型的内燃发动机，例如汽油机或液化气燃料动カ发动机。发动机10可以包括限定多个气缸16的发动机气缸体14、可滑动地配置在各个气缸16内的活塞18以及与各个气缸16相联接的气缸盖20。气缸16、活塞18以及气缸盖20可以共同形成燃烧室22。在示出的实施例中，发动机10包括六个燃烧室22。然而，设想发动机10可以包括更多或更少数量的燃烧室22，并且燃烧室22可以布置为“直列”结构、“V”形结构、或另ー种适合的结构。同样如图I所示，发动机10可以包括可转动地配置在发动机气缸体14内的曲轴24。连杆26可以将各个活塞18连接到曲轴24上，从而活塞18在各个气缸16内的滑动运动引起曲轴24的转动。类似地，曲轴24的转动可以引起活塞18的滑动运动。燃料系统12可以包括配合以在曲轴24的各次转动期间将加压燃料喷射到燃烧室22中的构件。具体而言，燃料系统12可以包括构成为保持一定量的燃料的燃料箱28、以及构成为对燃料加压并且经由共轨34将加压燃料引导至多个燃料喷射器32的燃料泵送装置30。燃料泵送装置30可以包括一个或多个用于增加从燃料箱28抽吸的燃料的压カ并且将ー股或多股加压燃料流弓I导至共轨34的泵送装置。在一个示例中，燃料泵送装置30包括串联布置并且经由燃料管40流体地连接的低压源36以及高压源38。低压源36可以是构成为向高压源38以及为了冷却的目的而直接向燃料喷射器32提供低压供给的传送泵。低压源38可以经由燃料管41连接到燃料喷射器32。高压源38可以构成为接收低压供给并且使燃料的压カ增加至约30-300MPa的范围。高压源38可以经由燃料管42连接到共轨34。可以在燃料管42内配置止回阀44，以提供燃料从燃料泵送装置30向共轨34的单向流动。低压源36和高压源38中的一者或两者可以可操作地连接到发动机10上并且由曲轴24驱动。低压源36和/或高压源38可以以对本领域技术人员而言显而易见的任何方式与曲轴24连接，其中曲轴24的转动将会引起泵驱动轴相应的转动。例如，高压源38的泵驱动轴46在图I中示出为通过齿轮系48连接到曲轴24。然而，设想低压源36和高压源38中的一者或两者可以可替换地以电力、液力、气动的方式或以任何其它适当的方式驱动。燃料喷射器32可以配置在气缸盖20内并且经由多个燃料管50连接到共轨34并且经由排出管51连接到燃料箱28。每个燃料喷射器32可以以预定的正时、燃料压カ、以及燃料流动率可操作地喷射一定量的加压燃料到相关联的燃烧室22中。将燃料喷射到燃烧室22中的正时可以与活塞18的运动同歩。例如，在压缩冲程中可以在活塞18接近上止点位置时喷射出燃料，以允许所喷射燃料的压燃燃烧。或者，为进行均质充量压燃操作，可以在活塞18开始朝上止点位置进行压缩冲程时喷射出燃料。为了进行后喷射(late postinjection)以产生用于后处理再生的还原气氛，可以在活塞18在膨胀冲程期间从上止点位置向下止点位置移动时喷射出燃料。如图2所示，每个燃料喷射器32可以是封闭的喷嘴単元燃料喷射器。具体而言， 每个燃料喷射器32可以包括体部52 ;可操作地连接到喷射器体部52的喷嘴壳体54 ;以及至少部分地配置在喷嘴壳体54内的引导件56、套管58和喷嘴60。燃料喷射器32还可以包括位于喷嘴60内的针元件62、以及在喷射器32的与喷嘴60相対的一端配置在体部52内的螺线管致动器64。设想在燃料喷射器32内可以包括其它构件，例如压カ平衡通路、蓄能器、以及本领域已知的其它喷射器构件。喷射器体部52可以制成构成为用于装配在气缸盖20内并且具有ー个或多个通路的柱状部件。在所公开的实施例中，喷射器体部52包括构成为接纳螺线管致动器64的中央孔66、低压燃料进ロ 68、低压燃料出口 70以及高压燃料进ロ 72。然而，设想如果需要的话，喷射器体部52内可以包括其它、更少、和/或不同的通道。低压燃料进ロ 68可以从燃料管41径向向内延伸到中央孔66，以向螺线管致动器64供给充当用于在操作期间冷却螺线管致动器64的冷却剂的低压燃料。低压燃料出ロ 70可以在比低压燃料进ロ 68更接近喷嘴60的位置从中央孔66径向向外返回延伸到体部52的柱状外表面，以将此时较温热的燃料引导到排出管51。高压燃料进ロ 72可以从体部52的柱状外表面延伸到与引导件56的轴向界面。喷嘴外壳54可以制成为具有中央孔74的柱状部件，该中央孔74构成为接纳引导件56、套管58、以及喷嘴60。喷嘴壳54还可以包括开ロ 76，喷嘴60的尖端78穿过所述开ロ 76突出。引导件56可以制成为与体部52轴向对准并且在体部52与套管58之间配置在喷嘴外壳54内的柱状部件。引导件56可以具有与针元件62的基端直接连通的在内部形成的控制腔室80、以及将高压燃料进ロ 72与套管58连接的径向偏移的高压燃料通道82。控制腔室80可以有选择地排出或装入加压燃料，以影响针元件62的往复运动。在所公开的实施例中，如果需要的话，一个或多个孔ロ板84、86可以配置在引导件56与体部52之间。孔ロ板84、86可以包括公共控制通道88和公共高压通道90，所述公共控制通道88从体部52的中央孔66延伸到控制腔室80，所述公共高压通道90从体部52的高压进ロ 72延伸到引导件56内的高压燃料通道82。套管58还可以制成为柱状部件，该柱状部件具有构成为接纳针元件62和复位弹簧94的中央孔92。复位弹簧94可以配置在止挡件96与引导件56的端部坐靠面98之间，以轴向地向喷嘴60的尖端78偏压针元件62。如果需要的话，可以在复位弹簧94与止挡件96之间配置垫片100，以减小燃料喷射器32内的构件的磨损和/或设定复位弹簧94的负载。同样，喷嘴60可以制成柱状部件并且具有构成为接纳针元件62的中央孔102。中央孔102和针元件62的壁之间的空间可以形成压カ腔室，该压カ腔室保持一定量的从高压通道82接收的加压燃料以预期喷射事件。喷嘴60还可以包括一个或多个孔ロ 104，当针元件62远离孔ロ 104移动时，所述孔ロ 104允许加压燃料从压カ腔室向发动机10的燃烧室22内移动。针元件62可以是在引导件56、套管58和喷嘴60内滑动地配置的长形柱状部件。针元件62可以在第一位置与第二位置之间轴向地移动，在所述第一位置，针元件62的尖端基本上阻碍燃料通过孔ロ 104流动，在所述第二位置，孔ロ 104打开以允许燃料流入燃烧室 22。如果需要的话，设想针元件62可以是具有针部件和活塞部件的多部件元件或在其基端具有一体的活塞表面的单个元件。针元件62可以具有多个推动液力表面。例如，针元件62可以包括第一液力表面106和第二液力表面108。当第一液力表面106被加压燃料作用时,第一液力表面106可以趋于利用复位弹簧94的偏压向第一位置或孔ロ阻碍位置推动针元件62。当第二液力表面108被加压燃料作用时，该第二液力表面108可以趋于抵抗复位弹簧94的偏压并且沿相反的朝向第二位置或孔ロ打开位置的方向推动针元件62。螺线管致动器64可以配置在喷射器32的与喷嘴60相対的一端，以控制作用在针元件62上的力。具体而言，螺线管致动器64可以包括适当形状和尺寸的线圈110，电流可以流过该线圈以产生磁场；以及与线圈110相关联的衔铁112。衔铁112可以固定地连接到空腔115内的两位置衔铁销114，并且当线圈110通电时，由线圈110产生的磁场可以抵抗复位弹簧116的偏压从第一位置或非喷射位置向第二位置或喷射位置推动衔铁112和相连的衔铁销114。例如，衔铁销114可以在下阀座118与上阀座120之间移动。当线圈110未通电时，可以允许复位弹簧116使衔铁销114移动到非喷射位置(SP下靠在下阀座118上，如图2所示)，并且燃料可以经由交叉钻出的径向通道(未示出)从高压燃料进ロ 72经通道90流入控制腔室80。控制腔室80内的加压燃料可以生成作用在液力表面106上的向下的力，该カ与复位弹簧94的カ结合，以克服作用在液力表面108上的任何向上的力并且使针元件62移动，从而关闭孔ロ 104并且终止燃料喷射。当线圈110通电时，燃料可以经由通道88、中央孔66、以及低压燃料出口 70从控制腔室80向燃料箱28流动。当控制腔室80中的燃料排出到燃料箱28时，作用在液力表面108上的加压流动的向上的力可以抵靠在复位弹簧94上推动针元件62，由此打开孔ロ 104并且开始向燃烧室22内喷射燃料。当线圈110随后断电时，复位弹簧116可以使衔铁销114返回至非喷射位置。这样，可以控制线圈110内感生的电流的正时和电平，以影响燃料喷射。螺线管致动器64还可以设置有插件122，该插件同时用作用于衔铁腔115的减压装置、用于复位弹簧116的定位器、以及用于衔铁112的引导件。如图3所示，插件122通常可以包括当组装时朝衔铁112定向的上表面124、以及与上表面124相对地定位的下表面126。插件122还可以包括突出部128，该突出部远离下表面126向远侧延伸以接合复位弹簧116并由此将复位弹簧116保持在体部52的中央孔66内的适当位置。较小的中央孔130可以从上表面124延伸穿过突出部128并且构成为滑动地接纳衔铁销114。位于衔铁腔115的周边的气隙垫片131可以压靠在上表面124上，并且由此抵靠在中央孔66的台肩133上将插件122保持在适当位置。插件122以及台肩133可以在插件122与台肩133的界面处形成文丘里管132。具体而言，插件122可以在下表面126内包括沟槽，这些沟槽与台肩133—起形成具有泄流部134、扩散部136和位于泄流部134与扩散部136之间的颈部138 (即文丘里132可以部分地由插件122和台肩133各者形成)。如在图3中可见的，泄流部134和扩散部136两者均可以在颈部138附近具有逐渐减小的高度(例如，如图3中的曲线或如图4和5中的斜线)。在所公开的实施例中，泄流部134可以具有比扩散部136的出口开ロ面积大的进ロ开ロ面积(即高度和宽度)和比扩散部136的长度短的长度，这种关系可以使得跨颈部138的压降更大。泄流部134可以流体地连接到低压燃料进ロ 68，而扩散部136可以流体地连接到低压出ロ 70。因此，低压燃料可以从进ロ 68经其中燃料流动被限制而致使燃料的速率增大的颈部138流入泄流部134，流入扩散部136，并且经由低压出口 70流出喷射器32。插件122还可以包括从插件122的上表面124延伸到颈部138的轴向通道140。在这种结构中，通过 文丘里管132的燃料流可以在通道140内形成低压，由此用于降低衔铁腔115内的压力。插件122可以包括任何数量的文丘里管132和位于突出部128周围的轴向通道140。例如，图3的插件122示出为包括两个不同的文丘里管132和两个不同的通道140，每ー对文丘里管132/通道140位于突出部128的ー侧。在这种结构中，文丘里管132可以具有小于插件122的半径的总长度。然而，在图4和5的实施例中，仅示出了单个文丘里管132和单个通道140。在这种结构中，文丘里管132可以具有大于插件12的半径的总长度。由于图4和5的实施例中的文丘里管132的长度，可能需要附加通道142，以将扩散部136合适地连接到低压燃料出口 70。エ业适用件本发明的燃料喷射器在包括例如柴油发动机、汽油发动机以及液化气燃料动カ发动机的各种发动机类型上具有很广的应用范围。所公开的燃料喷射器可以与其中一致性性能很重要的任何发动机相结合地使用。现将说明燃料喷射器32的操作。在发动机10正常运转期间，可以由燃料泵送装置30 (參照图I)向各个喷射器32供给高压燃料和低压燃料。具体而言，由高压源38经由通道42、共轨34和燃料管50向高压燃料进ロ 72 (參照图2)供给高压燃料。高压燃料可以经由高压燃料进ロ 72进入燃料喷射器32，流经通道90、82和92，并且流入中央孔102——在这里燃料等待喷射事件。此外，来自通道90的高压燃料可以充填控制腔室80以准备喷射事件。低压燃料可以作为冷却剂由低压源36经由燃料管41同时向低压燃料进ロ 68供给。低压燃料可以经由低压燃料进ロ 68进入燃料喷射器32，经过文丘里管132和中央孔66靠近弹簧116的一端，并且经由低压出口 70离开燃料喷射器32。螺线管致动器64可以通电，以开始将燃料喷射到燃烧室22 (參照图I)中。具体而言，当电流施加至线圈110吋，衔铁112和衔铁销114可以远离喷嘴60向上移动。随着衔铁销114向上移动，控制腔室80可以与低压出ロ 70流体地连接，由此使控制腔室80清空。此时，作用在液力表面108上的高压流体可以克服弹簧94的偏压，由此使针元件62远离孔ロ 104向上移动并且开始喷射事件。
为了结束喷射事件，可以使螺线管致动器64断电，以允许弹簧116使衔铁112和衔铁销114向下返回，直到衔铁销114接合下阀座118并且控制腔室80的排泄停止。此时，控制腔室80内的压カ可能积累，直到作用在液力表面106上的压カ连同弹簧94的偏压ー起足以使针元件62返回抵靠在孔ロ 104上的流动阻碍位置。在衔铁112移动期间，空腔115内可能产生导致衔铁112以不希望的方式振动(即反弾)的压カ变动。具体而言，当衔铁112向下移动时，来自空腔115内以及衔铁112下方的高压燃料流可以被迫从衔铁112的周边周围来到衔铁112上方，并且当衔铁112随后向上移动时，可以在衔铁112下方形成向下吸回高压燃料的低压区。因此，衔铁112下方和上方的区域可能经历从低压到高压到低压的循环的压カ变动等。在常规燃料喷射器中，当线圈110突然通电或突然断电时这些压カ变动不会立即结束。相反，压カ变动缓慢消散，并且在消散的同时可能导致衔铁112继续往复移动。在一些状况下，衔铁112的继续往复移动可能足以导致针元件62在不希望有燃料喷射时打开孔ロ 104。然而，在使用插件122的情况下，可以通过文丘里管132的作用将衔铁腔115保持 在相对一致的低压力。亦即，通过泄流部134、颈部138和扩散部136的冷却剂(即低压燃料)流可以导致在通道140内形成拉低空腔115内的压カ的低压。在一个实施例中，该压カ可以被拉低至燃料的蒸气压カ附近，由此导致燃料沸腾并且在衔铁112与插件122之间的空间中形成气泡。这些气泡可以充当减震器，以抑制衔铁112的不希望的压カ变动和/或振动移动。由于插件122可以形成用于衔铁112的减震环境，所以可以降低针元件62在计划的喷射事件应当已经结束之后充分移动打开孔ロ 104的可能性。这种降低可以使发动机10更平稳且性能更有效。对本领域技术人员而言显而易见的是，可以对本发明的燃料喷射器进行各种修改和变化而不会脱离本发明的范围。从文中公开的对燃料喷射器的说明和实践考虑，其它实施例对本领域技术人员而言将是显而易见的。应认为说明书和示例只是示例性的，本发明的真实范围由下文的权利要求和它们的等同形式指出。
权利要求
1.一种燃料喷射器，包括具有至少一个喷射孔口的燃料喷嘴； 针元件，所述针元件具有尖端和基端并且可在第一位置与第二位置之间在所述燃料喷嘴内移动，在所述第一位置，所述针元件的所述尖端抑制燃料流通过所述至少一个喷射孔口，在所述第二位置，所述针元件的所述尖端基本上不抑制燃料流通过所述至少一个喷射孔口 ； 位于所述针元件的所述基端的控制腔室； 体部； 控制阀，所述控制阀配置在所述体部内并且可移动以选择性地使所述控制腔室排泄，由此使所述针元件在所述第一位置与所述第二位置之间移动； 衔铁，所述衔铁配置在所述体部的衔铁腔内并且选择性地通电以使所述控制阀移动；以及 减压装置，所述减压装置配置在所述体部内并且构成为降低所述衔铁腔的压力。
2.根据权利要求I所述的燃料喷射器，其特征在于，所述减压装置构成为将所述衔铁腔的压力降低到所述衔铁腔内的流体的蒸发点以下。
3.根据权利要求I所述的燃料喷射器，其特征在于，所述减压装置构成为在所述衔铁腔内产生气泡。
4.根据权利要求I所述的燃料喷射器，其特征在于 所述燃料喷射器构成为接收用于喷射的高压燃料和用于冷却的低压燃料；并且 所述低压燃料被弓I导通过所述减压装置。
5.根据权利要求4所述的燃料喷射器，其特征在于，所述减压装置包括具有构成为接收所述低压燃料的具有泄流部、颈部和扩散部的文丘里管、以及从所述衔铁腔延伸到所述颈部的通道。
6.根据权利要求5所述的燃料喷射器，其特征在于，所述减压装置还包括 构成为保持弹簧的突出部；以及 贯穿所述突出部的中央孔，所述中央孔构成为引导所述控制阀。
7.根据权利要求5所述的燃料喷射器，其特征在于，所述文丘里管具有大于所述减压装置的外半径的长度。
8.根据权利要求5所述的燃料喷射器，其特征在于 所述文丘里管具有小于所述减压装置的外半径的长度； 所述文丘里管为第一文丘里管；并且 所述减压装置包括与所述第一文丘里管基本上相同的第二文丘里管。
9.根据权利要求5所述的燃料喷射器，其特征在于 所述文丘里管位于所述减压装置与所述衔铁腔的台肩的界面处；并且 所述文丘里管部分地由所述衔铁腔的所述台肩形成。
10.一种喷射燃料的方法，包括 将高压燃料引导到燃料喷射器的喷嘴中； 将低压冷却剂引导到所述燃料喷射器的衔铁腔中； 对所述衔铁腔内的衔铁通电，以允许所述高压燃料从所述喷嘴排出；以及 使所述衔铁腔内的所述低压冷却剂的压力降低到蒸发点以下。
全文摘要
公开了一种用于发动机的燃料喷射器。该燃料喷射器可以具有带至少一个喷射孔口的燃料喷嘴、以及针元件，该针元件可在针元件抑制燃料流动的第一位置与基本上不抑制燃料流动的第二位置之间在燃料喷嘴内移动。该燃料喷射器还可以具有位于针元件的基端的控制腔室、体部和控制阀，该控制阀配置在体部内并且可移动以选择性地使控制腔室排泄，由此使针元件在第一位置与第二位置之间移动。该燃料喷射器还可以具有衔铁和减压装置，所述衔铁配置在体部的衔铁腔内并且选择性地通电以使控制阀移动，所述减压装置配置在体部内并且构成为降低衔铁腔的压力。
文档编号F02M61/18GK102840074SQ201210213048
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月25日 优先权日2011年6月23日
发明者B·D·摩尔, D·R·伊布拉西姆, S·马哈茂德, A·杜雷斯基, C·D·汉桑 申请人:卡特彼勒公司