用于喷射阀的阀组件、喷射阀和喷射方法与流程

本公开涉及一种用于喷射阀的阀组件，特别地涉及用于喷射cng的喷射阀的阀组件，所述阀组件包括：

-外壳，其提供流体入口和流体出口以及在流体入口和流体出口之间延伸的流体路径；

-阀针，其位于外壳内，其中，阀针能够沿着阀组件的纵向轴线移动；

-第一阀座和第一阀闭合部分，其中，第一闭合部分能够通过阀针在闭合位置和打开位置之间移动，在所述闭合位置中，第一阀闭合部分接触第一阀座以闭合其间的流体路径，在所述打开位置中，第一阀闭合部分与第一阀座间隔开以打开其间的流体路径。

本发明还涉及一种喷射阀，特别地涉及用于喷射压缩天然气（cng）的喷射阀，其包括阀组件。

本发明还涉及一种用于喷射压缩天然气（cng）的方法。

背景技术：

喷射阀被广泛使用，特别是用于燃烧式发动机（combustionengine），在燃烧式发动机中，喷射阀可以被设置成以便定量给送流体，特别是压缩天然气（cng）。

一种实际的cng结构设计的喷射阀包括被动外开式阀（passiveoutwardvalve），其被连接到主动内开式cng喷射器。当喷射阀的电磁阀（solenoid）没有被激活时，内开式喷射器也具有将气体密封在喷射器的优选区域中的功能，在该区域中，发动机温度影响较小，以便使用特殊的橡胶实施例设计来阻挡气体泄漏。在这样的喷射阀中，当在相邻容积中实现正确压力时被动阀打开。因此，如果考虑发动机条件（瞬变、稳态、速度变化）的差异，则考虑到气体的物理特性，其受到环境条件（特别是阀的温度）的影响，具有与确保向汽缸内定量给送正确的量的质量流量有关的潜在风险。

在过去，已经将喷射阀设计成包括由压电致动器单元直径命令的外开式喷射器。不过，这样的已知喷射阀不适用于cng应用（cng=压缩天然气）。压电喷射器是典型的外开式（outwardopening）应用，其中流量由喷嘴几何构型和能量被施加到致动器时产生的升力来控制。然而，用于这个特定主题的压电叠堆（piezostack）元件的物理属性具有在50微米的范围内的最大冲程的限制。虽然这足以满足所有的汽油质量流量需求，但是由于大约20-25巴的最大压力（由于安全的原因）和需要在300-350微米范围内的冲程以获得用于发动机的质量流量的气体比重的原因，这对于可能的cng应用具有极大限制。此外，压电设计的已知喷射阀包括根据在喷射器的尖端处的金属接触的密封概念，其是考虑到流体的物理性质的用于汽油的最常见使用的概念。由于气体性质以及用于密封的接触体的应力（由于在气体条件下能够实现的阻尼相对小），cng应用使尖端温度增加。为了克服压电致动器小冲程的缺点，作为一种技术变型，也提出了一种采用直动式电磁阀致动器（solenoiddirectactuator）概念的不同外开式流动设计。然而，喷射器尖端上的密封概念仍然存在相同的缺点。

us2014/224903a1公开了一种燃料喷射器，其包括：具有通向喷射端口的燃料通路的喷嘴构件；适于往复运动以打开和闭合燃料通路的阀主体；通过阀主体在闭合方向上的运动而在闭合燃料通路时能够弹性变形的弹性部分，弹性构件被附接到喷嘴构件和阀主体中的一者并且适于通过使阀主体在闭合方向上移动而邻接抵靠喷嘴构件和阀主体中的另一者以闭合燃料通路；以及止动件，其适于通过邻接抵靠阀主体而限制阀主体在闭合方向上的运动，所述止动件由与喷嘴构件不同的材料形成。

de102014212562a1涉及一种用于将气体燃料直接喷射到燃烧室中的喷射器，其包括布置在喷射器的面向燃烧室的端部处的第一阀、位于喷射器的背向燃烧室的端部处的第二阀、以及致动器，其中，致动器打开第二阀和第一阀。致动器在第一阀之后打开第二阀，第一阀被直接布置在燃烧室上或者突出到燃烧室内。

de102013205624a1涉及用于为内燃发动机喷射气体燃料的阀，其具有外壳，外壳关于其纵向范围具有用于气体燃料的流入区段和流出区段以及位于流入区段和流出区段之间的驱动区段，其中，提供第一控制元件，其被指定给流入区段并且以取决于第一控制元件的切换位置的方式使能或阻止气体燃料的供应。提供第二控制元件，其被指定给流出区段并且以取决于第二控制元件的切换位置的方式使能或阻止气体燃料的排放。提供致动驱动器，其被设置在驱动区段内并且被联接到两个控制元件，使得控制元件能够彼此独立地运动到打开位置中。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种改进的阀组件，特别地是提供用于喷射压缩天然气（cng）的改进的阀组件，以及提供一种改进的喷射阀。进一步，本发明的目标是提供一种用于喷射压缩天然气（cng）的改进方法。特别地，本发明的目标在于通过进行改进尽可能去除已知的不利限制。

为了实现该目标，本发明提供了一种上述通用类型的阀组件，其中，阀组件包括第二阀座和第二阀闭合部分，其中，第二闭合部分能够通过阀针在闭合位置和打开位置之间移动，在所述闭合位置中，第二阀闭合部分接触第二阀座以闭合其间的流体路径，在所述打开位置中，第二阀闭合部分与第二阀座间隔开以打开其间的流体路径。

因此，如果致动器单元被激励的话，则第一阀闭合部分和第二阀闭合部分二者能够由致动器单元直接驱动到其相应的打开位置。因此，本发明能够通过致动器单元提供对整个阀组件的直接命令，而不用包括被动阀。通过省去被动阀，能够改善针对cng应用的气体远离尖端的密封功能的安全性，因为没有产生关于被动阀的上述问题。进一步地，因为第二阀闭合部分提供成在优选位置处远离第一闭合部分，所以可以将第二阀闭合部分布置成远离喷射阀的尖端，以便较少暴露或者甚至被喷射阀的外壳保护以抵抗变化的环境条件（特别地如变化温度）。能够避免或至少最小化由于随时间产生的高温影响而导致的功能劣化。进一步地，本发明使得能够通过直接命令阀，特别地通过使用电磁阀原理来实现定量给送燃料的量。

本发明可以优选地应用到未来方向的cng应用，具有直接致动一体化的阀区段的优点。其实现了具有质量（流体）流量控制的安全密封功能，例如为了应用目的而使用流量校准环（也可以称为校准流量环），优选地还具有硬止动功能。

存在用于执行优选改进的许多可能性：

被认为是适当的是，阀组件包括第一阀区段，第一阀区段包括第一阀闭合部分和第一阀座，其中，第一阀区段是外开型的，并且/或者，阀组件包括第二阀区段，第二阀区段包括第二阀闭合部分和第二阀座，其中，第二阀区段是外开型的。替代性地，第一阀区段可以是内开型的和/或第二阀区段可以是内开型的。

优选的是，阀组件包括弹簧，特别是预压缩弹簧，其中，弹簧朝向第一阀闭合部分的闭合位置且朝向第二阀闭合部分的闭合位置向阀针直接地或者间接地施加力。

在实施例中优选的是，阀组件包括致动器单元，其中，致动器单元在被激励时远离第一阀闭合部分的闭合位置且远离第二阀闭合部分的闭合位置向阀针直接地或者间接地施加力。优选地，致动器单元包括电磁阀。作为替代，致动器单元可以包括压电元件或者压电元件叠堆。特别地，致动器单元适于提供在300-350微米范围内的阀针冲程。

可能的是，第一阀闭合部分和第一阀座被设置在阀组件的流体出口处或者被设置成与第二阀闭合部分和第二阀座相比更靠近流体出口。

优选的是，第一阀座是围绕外壳的处于流体出口处的轴向端处的孔口的表面，并且第一阀闭合部分形成在阀针处或连接到阀针，其中，第一阀闭合部分特别地形成在枢轴处，特别地在枢轴的连接到阀针的轴向端处。优选地，外壳的上述轴向端与外壳的在流体入口处或靠近流体入口的相反轴向端相反。

优选的是，第二阀闭合部分连接到阀针或者是阀针的一部分。该连接可以是直接连接或者是能够包括一个或多个互连部分的间接连接。该连接可以能够避免第二阀闭合部分相对于阀针的任意轴向相对运动。例如该连接可以包括压入配合和/或焊接。这也可以适用于第一阀闭合部分和阀针之间的连接。

优选的是，第二阀闭合部分位于外壳内并且与第一阀闭合部分轴向间隔开，其中，特别地，弹簧轴向设置于第一阀闭合部分和第二阀闭合部分之间。例如，第一阀闭合部分和第二阀闭合部分之间的轴向距离可以是几毫米或几厘米的大小，使得第二阀闭合部分能够设置成足够地远离外壳的流体出口、第一阀闭合部分和第一阀座，以便较少地暴露于或甚至被保护以抵抗变化的环境条件并抵抗第一阀闭合部分的升温。

优选实施例的特征在于，阀组件包括弹簧垫圈，其被固定在阀针处或者其一体地形成在阀针处，并且弹簧被预压缩地安装在形成于外壳的内侧处的肩部和弹簧垫圈之间。在有利实施例中，弹簧垫圈可以包括金属或类似材料或者由其构成。优选地，弹簧垫圈可以是环形元件，其可以被固定在阀针处，使得在弹簧垫圈和阀针之间不可能存在相对轴向运动。该固定例如可以包括压入配合和/或焊接。

在实施例中所提供的是，弹簧垫圈形成第二阀闭合部分，或者密封件、特别是密封环被安装在弹簧垫圈处、特别是在弹簧垫圈的前面处，其中，密封件形成第二阀闭合部分。在有利实施例中，密封件可以是可弹性变形的。其例如可以包括橡胶或类似材料或者由其构成。

在优选实施例中阀组件包括被固定在外壳的内侧处或者是外壳的一部分的流量校准环，其中，流量校准环通过轮廓被描绘在流量校准环和阀针之间的经限定的流动间隙而在阀针的周向处围绕阀针。在有利实施例中，流量校准环可以包括金属或类似材料或者由其构成。优选地，流量校准环可以被固定在外壳处，使得在外壳和流量校准环之间不可能存在相对轴向运动。流量校准环可以通过根据相应应用要求来设计其内部孔来具有控制质量流量的功能。有利地，可靠和/或可重现的质量流量条件可以能够以此方式实现。

进一步地，本发明作为一种优选实施例建议：流量校准环的前面形成第二阀座，或者密封件、特别是密封环被安装在流量校准环处、特别是在流量校准环的前面处，其中，密封件提供第二阀座。上述可能性提供了大量可能的替代性实施例。例如，可能的是，第二阀闭合部分和第二阀座之间的密封功能能够在弹簧垫圈的和流量校准环的两个金属表面之间得到实现，其中这些元件中的一个被限位在可移动阀针上。作为替代，第二阀闭合部分或者第二阀座能够由弹性密封件提供，其中，另一元件能够例如包括金属或者由金属构成。

在优选实施例中，可能的是阀组件包括弹性构件，特别地为包括橡胶或类似材料或者由其构成的环，

-其中，弹性构件连接到外壳的内部并且提供前面，所述前面面向形成在阀针处或连接到阀针的部分的前面，或者

-其中，弹性构件连接到阀针并且提供前面，所述前面面向外壳的内侧的前面或连接到外壳的内侧的部分的前面，

并且，在第二阀闭合部分的打开位置中，所述两个前面之间的轴向距离与第二阀闭合部分和第二阀座之间的最小轴向距离相比更小。优选地，弹性构件可以包括橡胶或类似材料或者由其构成。弹性构件可以被另一面对的前面压挤并且可以被用于支撑阻抑阀针的最终闭合返回运动的防回弹机构；在这种情况下，密封能够被实现为流量校准环和弹簧垫圈之间的金属间接触。

优选的是，阀组件包括停止部分，其被形成或固定在阀针处。特别地，其在弹簧的与弹簧垫圈相反的轴向侧处被形成或固定在阀针处。当彼此接触时停止部分和流量校准环一起用作轴向止动件。停止部分可以被固定在阀针处，使得在阀针和停止部分之间不可能存在相对轴向运动。该固定可以包括压入配合和/或焊接。在优选实施例中，流量校准环也可以具有硬止动功能以便在致动器被激活时与停止部分相结合来限制升程。换言之，停止部分和流量校准环可操作成彼此接触以充当轴向止动件，特别是用于限制阀针的最大升程。

优选的是，流量校准环或停止部分具有一个或多个径向槽以支持流动气体的流动连续性。

在第一替代方案中，可能的是，电磁阀致动器包括衔铁或者与衔铁一起作用，衔铁连接到衔铁销，其中，衔铁销的轴向端邻近阀针的轴向端并与其断开，即特别地能够轴向移位离开阀针的轴向端，并且当致动器单元被激励时，衔铁销的轴向端通过致动器单元挤压抵靠阀针的轴向端。如果以典型衔铁销的形式来实现的话，则当电流被施加到线圈时，致动器能够被电磁阀激活。衔铁销产生在向下推动阀针的方向上的磁性力并且使阀针在向外方向上打开。外开实施例元件可以包括在子组装步骤中被焊接在一起的阀针和枢轴，因此这个新的主体能够从底侧被引入到阀中。弹簧垫圈可以从顶部被组装到阀中以便预先挤压阀弹簧并且在考虑到应用的操作压力范围的情况下产生闭合阀的力。这个组装操作可以由压入配合过程来支持从而利用是弹簧校准力的20倍的优选负载使弹簧垫圈接合到阀针以便设定稳定位置。弹簧垫圈也可以被限位在阀针上，例如通过压入配合。优选地，在其上侧处，其可以包括或者其可以连接到环形橡胶元件（例如类似于o形环）以便密封在次要部分（例如流量校准环）的平坦区域上。流量校准环（其也可以被称为校准流量环）优选地可以具有带中心孔的轴向对称形状。中心孔可以被校准以便与阀针直径一起控制气体的质量流量，其中优选公差是5微米，这例如可以通过研磨过程来实现。这使得能够实现针对应用的高精度并且实现对部件间变化性的控制。流量校准环可以在组装操作期间被布置在阀处，例如通过压入配合过程和/或通过安全焊接。流量校准环在阀针处的优选位置使得当第一和第二阀闭合部分处于其相应的闭合位置时密封件（其优选地是由有资格用于气体的橡胶构成的橡胶元件）被压挤在40-80微米的范围内。这优选地避免了在喷射器的下侧处的泄漏。

在替代性实施例中，橡胶元件可以仅具有阻抑阀针的最终闭合运动的功能；在这种情况下，密封件能够被设置在流量校准环（也可以被称为校准流量环）和弹簧垫圈的两个平坦表面之间。在进一步可能的实施例中，在没有橡胶的阻抑功能的情况下，没有橡胶元件的弹簧垫圈能够被固定在阀针上（例如通过压入配合和结构化焊接以确保更大的稳定性）。同样在这种情况下，内部喷射器（阀区段）可以通过金属间接触来实现。

优选地可以是停止环的前述停止部分可以被限位在阀针上并且可以被引入在流量校准环的顶部上（即在朝向流动入口的方向上）以便限制最终升程，根据相应应用该最终升程优选地可以是在300-350微米的范围内。这种操作能够例如使用在阀针上的压入配合和/或安全结构焊接来实现。对于气体流动连续性，停止环可以被设计成具有径向槽以支持向下游（即在朝向流动出口的方向上）流动通过流量校准环和阀。作为替代，径向槽可以形成在流量校准环中。在衔铁和磁极之间的距离（轴向间隙）可以在组装操作期间被设定，其考虑到升程设定和与密封件相关联的例如在500微米范围内的压挤。外壳可以包括可以例如通过焊接连接的多个外壳部分。例如外壳可以包括致动器的磁极，并且也可以包括适配管（磁极-适配器-管），该适配管在朝向流动入口的方向上邻近磁极，并且磁极和适配管之间的连续焊接部可以闭合燃料路径并且避免气体的外部泄漏。在外壳的另一些部分之间可以提供附加的连续焊接部以便闭合燃料路径并且避免气体的外部泄漏。

在阀组件的闭合事件期间，橡胶和相关联的压挤两者均可以降低阀针的最终速度。这种效果和/或与阀针和衔铁销有关的断开机构能够减少或者甚至消除在闭合之后的不受控回弹。

关于第二替代方案中的电磁阀致动器，优选的是电磁阀致动器包括衔铁或者与衔铁一起作用，该衔铁被联接到阀针，特别地通过外形配合和/或压入配合连接。衔铁可以被限位在阀针上以致动阀，优选地在向外方向上致动阀。

优选的是，在其打开位置中，第一阀闭合部分和第一阀座确定第一最小轴向距离，并且在其打开位置中，第二阀闭合部分和第二阀座确定第二最小轴向距离，其中，第一最小轴向距离和第二最小轴向距离具有相同延伸长度，或者其中，第二最小轴向距离与第一最小轴向距离相比更小。第二替代方案对于包括用于提供第二密封部分的密封环的阀组件实施例是特别优选的。密封环的轴向压缩和第二最小轴向距离的和可以例如具有与第一最小轴向距离相比相同的延伸长度。

另外，规定了根据本发明的另外的方面的喷射阀。喷射阀特别地是用于喷射cng的喷射阀。其包括根据本公开的阀组件。

此外，本发明的另一方面提供一种方法，其包括如下步骤：

-提供根据本发明的喷射阀；以及

-通过喷射阀将压缩天然气（cng）喷射到装置内，特别地喷射到燃烧式发动机的汽缸中。

附图说明

现在将参考附图通过示例方式描述本发明。附图如下：

图1是根据相应优选实施例的包括本发明阀组件的本发明喷射阀的示意性纵向截面图；

图1a是图1中所示的细节i的放大图；以及

图2是根据相应第二优选实施例的包括本发明阀组件的本发明喷射阀的示意性纵向截面图。

具体实施方式

在附图中，出现在不同图示中的对应或相似元件由相同的附图标记来指示。

参考图1、图1a，其通过示例方式描述了根据本发明的喷射阀1的第一优选实施例，其包括根据本发明的阀组件2的第一优选实施例。所示实施例优选地能够用于喷射气体，特别是用于喷射压缩天然气（cng）。阀组件2包括外壳3，外壳3提供流体入口4和流体出口5以及在其间延伸的流体路径6。如附图所示，外壳3包括多个外壳部件。通过黑色标记示意性指示出用于连接的焊接部。如从下面的描述将会清楚的，图1和图1a描绘了处于操作状态的喷射阀1，在操作状态中，流体路径6被闭合。阀组件2包括能够沿着纵向轴线l移动的阀针7。阀组件2包括第一阀区段8和第二阀区段11。第一阀区段8包括第一阀闭合部分9和第一阀座10。第二阀区段11包括第二阀闭合部分12和第二阀座13。术语阀座在通用意义上被用于与阀闭合部分一起作用以通过使阀闭合部分移动远离或朝向阀座而选择性打开或闭合其间的流体路径的任意部分或一维或二维表面。第一阀闭合部分9和第一阀座10被设置在流体出口5处。更具体地，第一阀座10包括外壳3的表面14，表面14围绕外壳3的处于流体出口5处的轴向端15处的孔口。第一阀闭合部分9一体地形成在枢轴17的自由轴向端16处，枢轴17在阀针的指向流体出口5的自由轴向端18处连接到阀针7。因此，第一阀闭合部分9被固定到阀针7。因此，如果喷射阀1被安装在燃烧式发动机的汽缸（附图中未示出）处，则第一阀区段8位于相当大的程度暴露于在操作期间会显著变化的环境条件（特别是温度）的区域中。与此不同的是，第二阀闭合部分12和第二阀座13位于远离第一阀区段的区域中且在外壳3内部，使得第二阀闭合部分12和第二阀座13较少地暴露于环境条件（特别是变化的温度）。在示例中，第二闭合部分12在一位置处被固定到阀针7，该位置在背离流体出口5指向并朝向流体入口4指向的轴向方向上与第一阀闭合部分9轴向间隔开。在示例性实施例中，第二阀闭合部分12由环状密封件22形成，环状密封件22被固定（例如粘贴）到弹簧垫圈19的前面，弹簧垫圈19被固定在阀针7上，使得在阀针7和弹簧垫圈19之间不可能存在相对轴向运动。因此，第二阀闭合部分12由弹簧垫圈19固定到阀针7。阀组件2包括螺旋弹簧20，螺旋弹簧20以预压缩状态被轴向安装在第一阀闭合部分9和第二阀闭合部分12之间，这通过由橡胶构成的密封件22提供。阀针7穿过弹簧20，其中，弹簧20被轴向夹持在形成于外壳3的内侧处的肩部21和弹簧垫圈19之间。在所示示例中，阀组件2包括流量校准环23，其借助于压入配合24和安全性焊接部25被固定到外壳3的内侧，使得在外壳和流量校准环之间不可能存在相对轴向运动。流量校准环23通过轮廓被描绘在流量校准环23和阀针7之间的经限定的流动间隙26在阀针7的周向处围绕阀针7。在实施例中，第二阀座13包括由流量校准环23提供的前面27。

从上文描述中清楚的是，第一阀区段8和第二阀区段11二者均是外开型的，并且弹簧20向阀针7施加力以使第一阀闭合部分9和第二阀闭合部分12朝向其相应闭合位置移动，在相应闭合位置处，阀闭合部分9密封接触第一阀座10并且第二阀闭合部分12密封接触第二阀座13。图1和图1a中示出了这种情况。在这样的状态下，流体路径6被第一阀区段8且被第二阀区段11闭合，这二者直接被阀针7操作。

阀组件2包括致动器单元28，其本身是技术人员所公知的。致动器单元28包括被固定在外壳3内的线圈29。进一步，致动器单元28包括以能够在外壳3内部轴向移动方式被引导的衔铁30。外壳3包括磁极31。线圈29、衔铁30以及磁极31是电磁阀32的部件。衔铁30被连接到衔铁-销35，衔铁-销35在这个示例中包括插入到衔铁30的孔中的管33和在管的自由轴向端处插入到管33中的塞子34。塞子34的自由轴向端36邻近阀针7的面对的轴向端37并与其断开，并且当致动器单元28被电流激励时，致动器单元28使该自由轴向端36挤压抵靠轴向端37，以便借助于阀针7使第一阀闭合部分9和第二阀闭合部分12移动到其相应打开位置。阀组件2包括以预压缩状态被轴向夹持在外壳3和衔铁30之间的校准弹簧38。

如果在激励电磁阀32之后，电流被切断，则弹簧20的轴向力比弹簧38的轴向力更大。阀针7首先轴向移动直到第二阀闭合部分12变得接触第二阀座13的位置，并且之后进一步轴向移动以压挤弹性密封件22直到第一阀闭合部分9密封接触第一阀座10。如果通过通过电流激励线圈29而激活致动器单元9，则在轴向方向上在衔铁30和磁极31之间产生磁性吸引力。校准弹簧38的轴向力和轴向磁性吸引力的和超过弹簧20的轴向力，使得阀针7在相反方向上移动，这导致第一阀闭合部分9从第一阀座10移动离开到其打开位置并且第二阀闭合部分12也从第二阀座13离开移动朝向其打开位置。在示例中弹簧垫圈19借助于压入配合39固定在阀针7上。

在所示实施例中，阀组件2包括停止部分40，其在弹簧20的轴向侧处被轴向固定在阀针7处，该轴向侧与弹簧垫圈19相反。在示例中，借助于压入配合41和焊接部42来实现停止部分40在阀针7处的固定。当彼此接触时停止部分40和流量校准环23作为轴向止动件一起作用，以便限制阀针7的最大升程。

如上所述，在图1、图1a的实施例中，弹性密封件22提供第二阀闭合部分12。附图示出处于其相应闭合位置中的两个阀闭合部分9、12并且在这个状态下第二阀闭合部分12的弹性密封件22被弹性压挤。

因此，清楚的是，在其相应打开位置中第一阀闭合部分9和第一阀座10确定它们之间的第一最小轴向距离，在打开位置中第二阀闭合部分12和第二阀座13确定它们之间的第二最小轴向距离，并且第二最小轴向距离与第一最小轴向距离相比更小。

在示例中枢轴17通过焊接部43被轴向固定在阀针7处。另外，提供焊接部44和45以便将外壳3的部件固定并紧固到彼此。

根据本发明的包括阀组件2的喷射阀1的第二优选实施例由图2示出。由在图1和图1a中已经使用的附图标记来指示对应部件。第二实施例与第一实施例的不同之处在于其衔铁30被直接联接到阀针7。

所有公开的特征（其本身，而不是组合地）与本发明相关。从属权利要求的特征也具有相对于现有技术的独立创造性进展的特征，特别是以便基于这些权利要求提交分案申请。