专利名称：计量液体或气体的计量阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种计量液体或气体的计量阀，特别是用于诸如直接喷射式柴油机之类的内燃机的燃油喷射系统的喷射阀，它具有一个带一计量开口的阀壳；一个阀针，其与一个环绕该计量开口的阀座一起控制该计量开口，以轴向可移动的方式在阀壳内被导引并在阀闭合弹簧的作用下被压紧在阀座上；一个压电或磁致伸缩致动器，其使阀针抵抗阀闭合弹簧的闭合力作轴向位移；和一个液压位移放大器，其将致动器的长度上的迅速变化转变成阀针的较长的冲程，并且为此具有一个连到致动器上的工作活塞，一个连到该阀针上的提升活塞，和一个由不同活塞面积的活塞封闭在阀壳内的放大器室，该不同活塞面积的活塞以轴向可移动的方式在放大器室内被导引。
在一种已知的设计用作燃油喷射系统的喷射阀的计量阀(DE3533085A1)中，补偿温度变化、磨损和在直接驱动阀针的压电致动器的致动位移上的加工公差的影响的目的是通过将液体阻尼腔设置在致动器的远离阀针那一端的方式实现的，所述阻尼腔由一刚性地连接到致动器上的阻尼活塞所界定。阻尼腔由至少一个节流阀间隙连到一个补偿腔上。由阻尼腔、节流阀间隙和补偿腔所形成的体积充满液体并封闭住，该系统的压力借助一个溢流阀加以调节。借助此密封阻尼装置，就能保证得到一种液压缓冲，其在面临短暂的动态压力作用下，如在施加励磁电压时通过致动器的膨胀产生的动态压力作用下是完全不可压缩的并且体积是恒定的。另一方面，如因温度变化、磨损和加工公差引起的致动器的长度变化之类的准静态过程会通过液体流过节流阀间隙的移动量和其相应的补偿导致阻尼活塞的位移，结果致动器的恒定致动位移就不会受到影响。
EP0477400 A1公开了一种用于这类计量阀，即将致动器的较小的致动位移转化成阀针的较大的冲程的计量阀，的位移变换器或位移放大器。在此结构中，致动器的偏移借助位移放大器的工作活塞传入放大器室内并且由提升活塞传递到阀针上，该阀针执行与在两端界定放大器室的两活塞面积的比值成正比的增大的活塞冲程。为了补偿温度效应、磨损和在致动器的致动位移上的加工公差，液压室具有一确定的泄漏，该泄漏是借助活塞和相应的阀壳壁之间环形间隙获得的并且该间隙具有很高的流动阻力。该确定的泄漏的泄漏率取决于致动器的最大冲程时间。
如权利要求1和3所述的本发明的计量阀具有这样的优点，即将位移放大器从空间上整体结合入总体积较小的计量阀内，其要求两者分别是阀座安置在阀壳的外侧的外开阀(O型阀)形式和阀座安置在阀壳内侧的内开阀(I型阀)形式，这样，具体地说，就允许阀有较小的总长度。结构上的整体化满足了快速闭合阀的要求，同时，在快速闭合过程中，液压位移放大器的放大器室内出现空穴现象的危险也就大大地减小。
在将位移放大器结构上整体结合入一个“O型阀”内时，提升活塞和阀针是相互分离开的。两个压缩弹簧确保致动器、放大器活塞和阀针相互靠压在一起而没有游隙并且在计量阀开启的过程中连带地运动。在闭合过程中，提升活塞与阀针分离开，借此就能使最好是具有较小质量的提升活塞能非常快地跟随致动器的运动或连接到致动器上的工作活塞的运动，从而防止了放大器室的体积的很大的瞬间增加，这种体积的瞬间增加是造成气穴现象的原因。
在将位移放大器结构上整体结合入一个“I型阀”内时，在计量阀的开启和闭合的过程中所要求的致动器和阀针的相对运动是这样达到的，即提升活塞是阀针的一部分并且放大器活塞相互同心地安置，放大器室具有一个环形腔，其环绕着提升活塞并安置在工作活塞远离致动器的那一端。一个迫使工作活塞顶压着致动器的压缩弹簧和阀闭合弹簧确保了致动器、放大器活塞和阀针在计量阀开启和闭合的过程中连带地运动。在I型阀的快速闭合过程中的气穴危险仅通过放大器室内的过压就抵消掉了，该过压大于充满放大器室内的液体的蒸汽压力。
权利要求1和3所述的计量阀的有利的改进和改善借助从属权利要求中给出的措施是可行的。
在这两种计量阀中，温度变化、磨损和在致动器的致动位移上的加工公差的效应可以通过这样的方式加以补偿，即一方面，在放大器活塞自身之间，并且另一方面，在放大器活塞和每种阀情况下的阀壳的内壁之间都提供相应的充满液体的空心圆筒形节流阀间隙，放大器室通过该节流阀间隙连通到充满液体的低压腔。由放大器室、节流阀间隙和低压腔提供的体积是被封闭住的，其内的液体处在约2-50巴的压力下。
以下参照附图中所示的示范性实施例详细描述本发明，其中
图1是设计成O型阀的燃油喷射阀的纵向剖面图；图2是图1中细节部位II的放大视图；图3是设计成I型阀的燃油喷射阀的纵向剖视图；图4是图3中细节部位IV的放大视图；图5至7是本发明另外三个示范实施例的经改进的I型燃油喷射阀与图4同样的放大视图。
在图1中以纵向剖视图示意地示出的用于内燃机的燃油喷射系统的喷射阀用作一个常能想到的计量阀的具体的示范性实施例，其具有一个包括三个壳部11、12、13的阀壳10，所述壳部头尾相连地一个位于另一个之上，在每一种情况下都由套筒15、16连在一起。下壳部11形成所谓的阀体，该阀体具有一个轴向孔17，其有两个直径不同的孔段，在其底端处在阀体11的外侧形成有一个阀座18。一个阀件19座置在阀座18上并密封住设计为喷射孔的计量开口20，该开口能在阀件19的开启冲程的过程中开启，轴向孔17引入其内。阀件19整体地形成在阀针21上，阀针则安置在轴向孔17内并在轴向孔17的直径较小的孔段内以可移动的方式被导引。空心圆筒形中央壳部12容纳着一个阀闭合弹簧22和一个液压位移变换器或位移放大器23。设计成螺旋形压缩弹簧的阀闭合弹簧22同轴地环绕着也突伸入中央壳部12中的阀针21，并且以其一侧顶压在一个刚性地连接到阀针21上的簧板24上并以其另一侧顶压着阀体11的端部。在下面详细描述的液压位移放大器23将阀针21连接到一个压电或磁致伸缩致动器25上，该磁致伸缩致动器25容纳在上壳部13的穴型凹孔14内。一个用于高压注油喷射传输线的连接柱26设置在上壳部13的上端。如图1所示意性地示出的那样，连接柱26通过一个贯穿壳部13、12和11的连接孔27连接到称为“阀体”的下壳部11的轴孔17的较大直径的孔段上。
当致动器25未受到激励时，在阀针21上的阀件19在阀体11的外侧顶压在环绕着计量开口20的阀座18上。此时阀处于闭合状态。如果在致动器25上施加激励电压，致动器25就根据所施加的激励电压的大小伸出一个致动位移量。此致动位移量经位移放大器23被传递到阀针21上，使该阀针21执行一相应的阀针冲程，但是，该阀针冲程因位移放大器23所产生的位移变换或位移放大而大于致动器25的相应的致动位移量。因而阀件19就从阀座18上升起并露出计量开口20的计量截面，上升量大小取决于阀针21的冲程。带有外开阀针的此类喷射阀称为“O型阀”。
在图2中以放大比例示出的位移放大器23被安置在一个阀塞28内，阀塞28形成阀壳10的一部分，被插入中央壳段12内并且在那支承在一径向台肩上。阀塞28具有一个同心的台阶通孔29，其有一直径较大的孔段291和一直径较小的孔段292。在孔段291内以轴向可移动的方式被移动的是一个工作活塞30，其由一个Blleville弹簧31迫使其顶压在致动器25(图1)上，该Blleville弹簧31一端支承在两个孔段291和292之间的径向过渡台肩293上，其另一端支承在面朝该过渡台肩293的工作活塞30的端面301上。工作活塞30具有一个从其端面301引入其内的同心的空穴式凹座32。在直径较小孔段291内以轴向可移动的方式被移动的是一个提升活塞33，该提升活塞在其面朝工作活塞30的一端有一个直径减小的端段331，该端段331突伸入工作活塞30的凹座32内。一个同心地环绕着该端段331的螺旋压缩弹簧34一端支承在凹座32的底部，而另一端支承在提升活塞33上。如可从图1中所看到的那样，此螺旋压缩弹簧34迫使提升活塞33顶压着阀针21。为了减小提升活塞33的质量，并使阀针21的运动能被感应地测量到，其另一端段，即远离端段331的那一端，的直径被减小以便给出较细的致动销35(图1)。封闭在直径较大的孔段291内位于工作活塞30和提升活塞33之间的是一个充满液体的放大器室36，借助该放大器室36，工作活塞30的致动位移被转变成提升活塞33的经放大的冲程。如果如图2所示的那样，工作活塞30的直径是d2，而提升活塞33的直径是d1，则几何变换或放大比率就是m＝(d2/d1)。
相应的环形或空心圆筒形节流阀间隙37和38分别设置在该工作活塞30和孔段291的内壁之间和该提升活塞33和孔段292的内壁之间。放大器室36经这些节流阀间隙37、38连通到一个充满液体的低压腔39内，该低压腔39包括壳部12和13的内侧。引入直径较小孔段292的阀塞28上的径向孔40保证了节流阀间隙38和低压腔39之间的连通。由放大器室36、节流阀间隙37、38和低压腔39占据的总的充填液体的体积是处在2-50巴的压力下。节流阀间隙37、38的尺寸设定的要能使只有如因温度效应、磨损和加工公差导致的致动器25、阀针21或放大器活塞30、33的长度上的变化之类的准静态过程通过经节流阀间隙37、38的液体位移导致放大器活塞30、33的位移，因此，致动器25的恒定的致动位移不会受到影响。另一方面，主要的动态压力效应，如在施加激励电压时通过致动器25的伸出所产生的那些效应，会遇到放大器室36内的完全不可压缩的和恒定体积的液体缓冲，因此，致动器25的长度上的变化就以放大比m被传递到提升活塞33上，因而也就传递到阀针21上。
图3以纵向剖视示出了“I”型燃油喷射阀，其中，与O型喷射阀相反，环绕计量开口20的阀座18是形成在阀体11的内侧上，因此为了开启该阀，阀针21是从阀座18向内升起。阀针21在阀的开启和关闭过程中的运动方向就与图1中所示的阀针18的运动方向相反。该型喷射阀同样有一个由三个壳部11-13构成的阀壳10，它大部分对应于参照图1描述的喷射阀，因此同样的元件采用同样的标号。迫使阀针21的一端上的阀件19顶压在阀座18上的阀闭合弹簧22也设计成螺旋压缩弹簧，其支承在刚性地连接到阀针21上的簧板24上和支承在插入中央壳段12内的阀塞28，该中央壳段也包含位移放大器23′。位移放大器23′也将阀针21连接到压电(或磁致伸缩的)致动器25，其在被施加激励电压时伸长一致动位移量并且使阀针21升起对应的提升位移。对应于阀中程的燃油喷射量通过该计量开口20从充满燃油的轴向孔17喷出。
为了在喷射阀的开启和闭合过程中耦合致动器25和阀针21的对向运动，图4以放大比例示出的位移放大器23′与上述的位移放大器相比做了改进。不过，同样的元件配以同样的标号。位移放大器23′也具有一个工作活塞30′和一个提升活塞33′，该提升活塞33′封闭住其和提升活塞30′之间的一个放大器室36′。放大器室36′此处具有一个在工作活塞30′远离致动器25的那一端环绕着提升活塞33′的环形腔41。工作活塞30′由两个支承在阀塞28和工作活塞30′上的Belleville弹簧31迫使其顶压着致动器25。
在图4所示示范实施例中，工作活塞30′是套筒形的或空心圆筒形的设计并且以轴向可移动的方式在阀塞28的直径较小的孔段291内被导引。以轴向可移动的方式在直径较大的孔段292内被导引的提升活塞33′通过其端段331′在工作活塞33′内被导引，端段331′具有较从其上连续延伸的提升活塞段332′大些的直径。这样，放大器室36的所述环形腔41就在一端由工作活塞30′和提升活塞33′的端段331′界定，而在其另一端则由阀塞28内的孔段291、292之间的过渡台肩293界定。在图4中见到的提升活塞段332′的直径d1、提升活塞33′的端段331′的直径d2和工作活塞30′的外径d3所给出的转换或放大比 如果致动器受到激励，它会使工作活塞30′在图4的箭头43的方向上偏移一个致动位移量。借助放大比为m′的位移放大器23′，提升活塞33′和与其为一整体的阀针21在图4中的箭头44的方向上偏移一个相应较大冲程。因此阀针21从阀座18上升起并使得计量开口20开启供燃油喷射。
如图1和2中的位移放大器23的情况那样，对致动器25、阀针21或放大器活塞30′、33′的长度因温度变化、磨损和加工公差引起的变化的效应的补偿，在图3和4所示的位移放大器23′的情况下也都具有了。为此，空心圆筒形节流阀间隙37和38也分别设置在该工作活塞30′和直径较大的孔段291的内壁之间和该提升活塞33′和直径较小的孔段292的内壁之间并将包括环形腔的放大器室36连到一个低压腔39内。此外，在提升活塞33′和工作活塞30′中的相互滑动的两个活塞段之间，即在提升活塞33′的端段331′和空心圆筒形的工作活塞30′的内壁之间，设置有一个第三空心圆筒形节流阀间隙45，而该节流阀间隙45同样充满液体并连接到低压腔39上。为此，空心圆筒形的工作活塞30′上开有至少一个径向孔46与该间隙相通，该径向孔自由地通向上壳部13的内侧，该内侧形成低压腔39的一部分。在图5中以放大比例和剖视视出的位移放大器23′因为阀闭合弹簧22′整体地结合进位移放大器23′内而要使位移放大器23′得到改进。为此，在空心圆筒形的工作活塞30′的内侧形成有一个径向台肩47。也设计成螺旋压缩弹簧的阀闭合弹簧22′支承在此径向台肩47和提升活塞33的端段331′上，因而也就支承在阀针21上。所有的其他元件对应于图4中的元件并且用同样的标号标示。
在图6中以纵向剖视图示意出的位移放大器23″可插入图3所示的I型喷射阀内来代替位移放大器23′。此处，提升活塞33″设计成带有一个杯形端段331″，其以轴向可移动方式在阀塞28内的直径较大孔段291内被导引。毗邻此端段331″的是一个提升活塞段332″，其外径d1要较端段331″的外径d2小，此提升活塞段在阀塞28的直径较小孔段292内被导引。工作活塞30″以径向可移动的方式在提升活塞33″的端段331″的杯形体的内侧被导引并且也通过两个Belleville弹簧31组成的弹簧组件而压紧在致动器25上，Belleville弹簧31支承在在工作活塞30″上形成的法兰302″上和经一个垫圈48支承在阀塞28上。封闭在放大器活塞30″和33″之间的放大器室36也具有环绕着提升活塞段332″的环形腔41并通过一个连通孔49连到端段331″的杯形体的内侧。此连通孔49是由一个引入杯形端段331″的底部的同心穴孔50和两个在直径上延伸的径向孔51构成的，该两个径向孔51通入提升活塞段332″内并通到穴孔50和环形腔41。对于图6所示的提升活塞33″和工作活塞30′的直径，所给出的放大比是 。如在图5所示的位移放大器23′的情况下那样，图6所示的位移放大器23″也设有连通到低压腔39的节流阀间隙37、38和45。
在图7中以纵向剖视示意地示出的液压位移放大器23″相对于参照图6说明的位移放大器23″做了改进，其改进之处仅在于迫使工作活塞30″顶压着致动器25的Belleville弹簧31现在安置在提升活塞30″的杯形端段331″的内侧并且一边支承在杯形体底部，而另一边支承在工作活塞30″面朝该杯形体底部的端部上。此外，相对于图3的变更是，其中支承在簧板24上的阀闭合弹簧22可以省略掉，并且如图7所示那样，整体地结合进位移放大器23″内。此处，阀闭合弹簧22″支承在在工作活塞30″上形成的法兰302″上和支承在致动器25上，并且同时将后者固定在上壳部13内。图7中的位移放大器23″的结构和工作模式在其他方面对应于图6中的位移放大器23″的结构和工作模式，因此同样的元件用同样的标号标示。
权利要求
1.一种计量液体或气体的计量阀，特别是用于诸如直接喷射式柴油机之类的内燃机的燃油喷射系统的喷射阀，其具有一个带一计量开口(20)的阀壳(10)；一个阀针(21)，其与一个环绕该计量开口(20)的阀座(18)一起控制该计量开口(20)，以轴向可移动的方式在阀壳(10)内被导引并在阀闭合弹簧(22)的作用下被压紧在阀座(18)上；一个压电或磁致伸缩致动器(25)，其使阀针(21)抵抗阀闭合弹簧(22)的闭合力轴向位移；和一个液压位移放大器(23)，其将致动器(25)的长度上的迅速变化转变成阀针(21)的较长冲程，并且为此具有一个连到致动器(25)上的工作活塞(30)，一个连到该阀针(21)上的提升活塞(33)，和一个由不同活塞面积的活塞(30，33)封闭在阀壳(10)内的放大器室(36)，不同活塞面积的活塞(30，33)以轴向可移动的方式在放大器室内被导引，其中，其为了用作一个带有一个安置在阀壳(10)的外侧的阀座(18)的快速外开阀(O型阀)，最好是小质量设计的该提升活塞(33)以直径减小的端段(331)伸入工作活塞(30)的凹座(32)内，一个第一压缩弹簧(31)，和一个第二压缩弹簧(34)被安置在该放大器空间(36)内，该第一压缩弹簧(31)将工作活塞(30)压向该致动器(25)并且最好设计成如Belleville弹簧的扁簧，其一端顶在操动弹簧(30)上，另一端顶在阀壳(10)上，和该第二压缩弹簧(34)设置在放大器室36内，它将该提升活塞(33)在相反方向上压紧在阀针(21)上，其一端顶压在该提升活塞(33)上，而以另一端顶压在工作活塞(30)的凹座(32)上。
2.如权利要求1所述的计量阀，其特征在于充满液体的空心圆筒形节流阀间隙(37，38)分别设置在该工作活塞(30)和该阀壳(10)之间和该提升活塞(33)和该阀壳(10)之间，该放大器室(36)由该节流阀间隙(37，38)连通到一个充满液体的低压腔(39)内。
3.一种计量液体或气体的计量阀，特别是用于诸如直接喷射式柴油机之类的内燃机的燃油喷射系统的喷射阀，其具有一个带一计量开口(20)的阀壳(10)；一个阀针(21)，其与一个环绕该计量开口(20)的阀座(18)一起控制该计量开口(20)，以轴向可移动的方式在阀壳(10)内被导引并在阀闭合弹簧(22)的作用下被压紧到阀座(18)上；一个压电或磁致伸缩致动器(25)，其使阀针(21)抵抗阀闭合弹簧(22)的闭合力轴向位移；和一个液压位移放大器(23)，其将致动器(25)的长度上的迅速变化转变成阀针(21)的较长冲程，并且为此具有一个连到致动器(25)上的工作活塞(30)，一个连到该阀针(21)上的提升活塞(33)，和一个由不同活塞面积的活塞(30，33)封闭在阀壳(10)内的放大器室(36)，不同活塞面积的活塞(30，33)以轴向可移动的方式在放大器室内被导引，其为了用作一个带有一个安置在阀壳(10)的内侧的阀座(18)的快速内开阀(I型阀)，该提升活塞(33′；33″)刚性地，最好是整体地，连接到阀针(21)上，该提升活塞和工作活塞(30′，33′；30″，33″)相互同心地安置，放大器室(36)具有一个环形腔(41)，该环形腔(41)在工作活塞(30′；30″)的远离该致动器(25)的那一端处环绕着提升活塞(33′；33″)，以及一个压缩弹簧(31)以其一端支承在工作活塞(30′；30″)上并以其另一端支承在该阀壳(10)上，该压缩弹簧(31)迫使工作活塞(30′；30″)顶在该致动器(25)上并且最好设计成如Belleville弹簧的扁簧。
4.如权利要求3所述的计量阀，其特征在于该工作活塞(30′)是空心圆筒形设计，而提升活塞(33′)在该工作活塞(33′)内由一个端段(331′)以可轴向移动的方式加以导引，提升活塞(33′)的端段(331′)毗连一个其直径相比起来较小的提升活塞段(332′)，放大器室(36)的环形腔(41)环绕着直径较小的提升活塞段(332′)，并且在其一端由该空心圆筒形的工作活塞(30′)和提升活塞(33′)的该端段(331′)界定，而在另一端由该阀壳(10)界定。
5.如权利要求4所述的计量阀，其特征在于空心圆筒形工作活塞(30′)靠近面朝该致动器(25)的端部具有一个向内突出的径向台肩(47)，并且该阀闭合弹簧(22′)在其一端支承在该径向台肩(47)上，而在其另一端支承在提升活塞(33′)的面朝此径向台肩的那一端上。
6.如权利要求3所述的计量阀，其特征在于该提升活塞(33″)具有一个杯形设计的端段(331″)，该工作活塞(30″)以可轴向移动的方式在该端段(331″)内被导引，该提升活塞(33″)还具有一个毗邻该端段(331″)的提升活塞段(332″)，其外径相对于该端段(331″)的外径要小一些，放大器室(36)的环形腔(41)环绕着直径较小的提升活塞段(332″)，在其一端由该工作活塞(30″)的端段(331″)界定，而在另一端由该阀壳(10)界定，并且通过至少一个大直径的连接孔(49)连通到该端段(331″)的杯体的内侧。
7.如权利要求6所述的计量阀，其特征在于大直径的连接孔(49)具有至少一个沉入提升活塞(33″)的杯形端段(331″)的底部内的轴向穴孔(50)，和至少一个通向所述穴孔内并引入直径较小的提升活塞段(332″)内的径向孔(51)。
8.如权利要求6或7所述的计量阀，其特征在于迫使工作活塞(30″)顶在该致动器(25)上的该压缩弹簧支承在该提升活塞(33″)端段(331″)的内杯底部上而不是在阀壳(10)上。
9.如权利要求3-8所述的计量阀，其特征在于在工作活塞(30′；30″)和该阀壳(10)之间，在提升活塞(33′；33″)和该阀壳(10)之间以及在工作活塞和提升活塞(30′，33′；30″，33″)的相互在其上滑动的所述同心的段之间设置有相应的充满液体的空心圆筒形的节流阀间隙(37，38，45)，并且包含环形腔(41)的放大器室(36)通过该节流阀间隙(37，38，45)连到充满液体的低压腔(39)上。
10.如权利要求1-9所述的计量阀，其特征在于该放大器室(36)内的压力大于充于该放大器室(36)中的液体的蒸汽压力。
全文摘要
一种计量液体或气体的计量阀，特别是内燃机燃油喷射系统的射阀，其有将压电致动器致动位移转为阀针的增大冲程的液压位移放大器，将放大器从空间上结合进“0型阀”的阀壳内以提供较小总体积的目的是使放大器提升活塞设有直径较小端段实现的，该端段突伸入放大器工作活塞上的凹座内。一位于活塞界定的放大器室内的Blleville弹簧迫使工作活塞顶着致动器，一在凹座内同心地安置到端段上的螺旋压缩弹簧迫使提升活塞顶着阀针。
文档编号F02M21/02GK1133941SQ9610161
公开日1996年10月23日 申请日期1996年1月12日 优先权日1995年1月12日
发明者G·奥韦特, K·伊藤, R·海因茨, W·莫泽, C·弗兰克 申请人:罗伯特-博希股份公司