專利名稱：氣體燃料噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體燃料噴射器，更特別地，涉及包括用于使軸針與燃料噴射器噴嘴 對齊的懸臂支撐件的氣體燃料噴射器。
背景技術(shù)：
內(nèi)燃發(fā)動機將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。作為轉(zhuǎn)化的一部分，可以燃燒燃料， 從而使熱的燃燒產(chǎn)物在發(fā)動機內(nèi)膨脹。燃燒產(chǎn)物的膨脹可用于移動發(fā)動機的機械組 件，如活塞。燃燒反應(yīng)可以有若干種產(chǎn)物或排放物，其中的某些可能是不期望的。例 如，在將碳氫化合物用作燃料時，燃燒產(chǎn)物可以包括HC、 C0、 C0,及N0x。
為了減少排放，已做出各種努力以便使用基本上無碳的氫而不是碳氫化合物作為 燃燒燃料。在將氫(H2)用作燃料時，不存在大量的HC、 C0或C02排放，因為這樣的 燃料不含可能轉(zhuǎn)化為HC、 C0或C02的碳。因此，氫燃料目前被視為環(huán)保發(fā)動機很好的 燃料選擇。
發(fā)明人在此認(rèn)識到，在將氫用作燃燒燃料時，難以實現(xiàn)期望的空燃比。特別是， 相對于汽缸中的燃料量，難以引入足夠的空氣到汽缸中。不像常規(guī)的液體燃料，氫氣 會占據(jù)汽缸中相當(dāng)大的體積，從而限制給定的壓力下可用于空氣的體積。
其他人已嘗試通過使用直接汽缸燃料噴射，以使完全的空氣進氣可在噴射氫之前 被引入汽缸并有效地保留在汽缸中來解決該問題。以此方式，汽缸包含完全的空氣進 氣，而噴射的氫只會增加汽.缸內(nèi)的壓力。迄今為止，氫燃料直接噴射器已在設(shè)計用于 噴射其他燃料，如天然氣或丙烷的現(xiàn)有噴射器基礎(chǔ)上得到進一步發(fā)展。
發(fā)明人在此認(rèn)識到，氫燃料噴射器的各種組件的設(shè)計和材料選擇對氫燃料應(yīng)用來 說是不夠的。使用這樣的噴射器， 一般認(rèn)為如卡住(seizing)、擦傷及泄漏這樣的 內(nèi)部故障在僅運行五分鐘后就會造成不穩(wěn)定的運行和不點火。作為示例，較常規(guī)的燃 料噴射器中用于使軸針對齊的軸承在氫燃料噴射器中不能得到足夠的潤滑，因為氣體 燃料不會以液體燃料潤滑軸承那樣的相同方式潤滑軸承。軸承可能由于缺乏潤滑而過 早磨損，從而造成軸針對不齊，這又會造成軸針頂端過早磨損。這會造成不期望的泄漏。

發(fā)明內(nèi)容
與氫燃料噴射關(guān)聯(lián)的至少部分問題可以通過包括用于使軸針與燃料噴射器噴嘴 對齊的懸臂支撐件的燃料噴射器解決。以此方式，可以改進和/或延長軸針的對齊和密封性能。


圖1示意性地示出氫燃料內(nèi)燃發(fā)動機。
圖2示出氫燃料噴射器的截面圖。
圖3示出包括平行支撐件的示例軸針總成。
圖4示出圖3的軸針開啟和關(guān)閉時的情況。
圖5示出包括環(huán)形平行支撐件的示例軸針總成。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及內(nèi)燃發(fā)動機中用于噴射氣體燃料的燃料噴射器。雖然將氫(H2)用作 示例氣體燃料，但本發(fā)明不限于氫燃料噴射器。本文中公開的概念也可以應(yīng)用于其他 氣體燃料。
圖1示意性地示出配置為將氫燃料轉(zhuǎn)化為機械能的內(nèi)燃發(fā)動機10。發(fā)動機10可 以包括一個或多個汽缸，其中一個汽缸在12處示出。汽缸12包括至少部分由汽缸壁 16及可移動的活塞18界定的燃燒室14。
燃燒室14經(jīng)由進氣門32與進氣歧管30流體連通。進氣歧管可用于向燃燒室供 給包含氧氣(02)的空氣以用于燃燒?？梢钥刂七M氣門，以使期望流量的空氣在期望 的時間進入燃燒室，同時防止不期望的回流。在某些實施例中，發(fā)動機10可以包括 增壓器50,增壓器可用于增加向燃燒室供給的空氣的壓力，從而增加可用于燃燒的 02的相對質(zhì)量。在使用時，增壓器可以包括機械增壓器和/或渦輪增壓器。
發(fā)動機IO可以包括用于向燃燒室供給氣體燃料的機構(gòu)。在所示實施例中，發(fā)動 機10包括位置適合將基本上無碳的燃料直接供給到燃燒室中的電控燃料噴射器60。 與將燃料噴射到進氣歧管中的進氣道型燃料噴射器相比，位置適合將燃料直接噴射到 燃燒室中的燃料噴射器可以承受更加惡劣的環(huán)境。在高速操作所允許的短時間內(nèi)將氫 燃料噴射到這樣的惡劣環(huán)境中的任務(wù)通常意味著噴射器必須以較高的內(nèi)部壓力(高于 約150巴或220 PSI)工作。燃料噴射器與燃燒反應(yīng)直接相鄰會導(dǎo)致較高的燃料噴射 器內(nèi)部溫度。除惡劣環(huán)境之外，燃料噴射器60不能得益于液體燃料的潤滑性。相反， 燃料噴射器60使用氣體燃料，在當(dāng)前所述實施例中為氫氣，氣體燃料實際上會清潔 噴射器而減少潤滑。
,發(fā)動機10可以具有包括一個或多個控制器的控制系統(tǒng)70。在某些實施例中，控 制系統(tǒng)可以包括處理器72、輸入/輸出端口 74、電子可編程存儲器76、隨機存取存 儲器7S,和/或其他組件。控制系統(tǒng)70可以配置為經(jīng)由端口 74接收來自連接到發(fā)動 機10的傳感器的各種信號。這樣的接收到的信號可以包括但不限于來自質(zhì)量空氣 流量傳感器80的吸入質(zhì)量空氣流量(MAF)測量值；及來自歧管壓力傳感器82的歧管壓力(MAP)測量值?？刂葡到y(tǒng)70可用于控制進氣門32、燃料噴射器60、增壓器 50,和/或各種其他發(fā)動機組件。例如，控制系統(tǒng)70可用于向噴射器60發(fā)送脈沖寬 度調(diào)制信號，該信號可以控制燃料噴射器噴射燃料。
發(fā)動機io還可以包括一個或多個配置為限制不期望的尾氣排放的排氣處理裝
置。例如，發(fā)動機10可以包括配置為吸附捕集器進氣NOx的NOx捕集器90。如圖所 示，NOx捕集器位于增壓器50的下游。在某些實施例中，NOx捕集器可以位于增壓器 50的上游。在某些實施例中，可以用車載H:吹掃NOx捕集器。可以使用附加或替代 的排氣處理裝置而仍然落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖2更詳細地示出電控燃料噴射器60。燃料噴射器60設(shè)計為可以緩解噴射氣體 燃料和/或其他潤滑性差的燃料產(chǎn)生的不平穩(wěn)性?，F(xiàn)有的氫燃料直接噴射器穿過加工 間隙安裝到汽缸蓋和燃燒室中并在頂端附近使用O形密封圈或襯套式密封件。這樣的 配置將頂端的較大部分暴露在燃燒熱量下，并使噴射器主體與外圍可使用水冷的汽缸 蓋隔絕，從而限制了汽缸蓋從噴射器帶走熱量的能力。結(jié)果，在惡劣的無潤滑情況下 常常產(chǎn)生組件磨損、卡住、擦傷、泄露及其他不期望的結(jié)果。 一般認(rèn)為，這樣的不期 望的情況僅在五分鐘內(nèi)就會發(fā)生。
燃料噴射器60包括具有開口 120的噴嘴102,通過該開口供給來自燃料噴射器 的氫?？梢源_定開口 120的尺寸和形狀，使其在給定的壓力下在噴嘴開啟達特定的持 續(xù)時間時供給期望的量的氫。開口 120與燃料通道122流體連通，而燃料在燃料通道 中流動。燃料通道122包括從燃料導(dǎo)管接收氬燃料的入口部分124。燃料通道包括從 入口部分124延伸至噴嘴開口 120的空腔部分126。在某些實施例中，燃料通道可以 在入口和噴嘴開口之間包括兩個或更多入口和/或兩個或更多空腔/燃料路徑。在某些 實施例中，噴嘴開口可以包括兩個或更多獨立的孔?？梢约訅合蛉剂贤ǖ拦┙o的氫， 從而促進氫向燃料噴射器的供給和/或噴射器對汽缸的燃料噴射。
燃料噴射器60包括可以選擇性地開啟和關(guān)閉的軸針(pintle) 130。在關(guān)閉時， 軸針即使未完全阻斷，至少也可以基本上阻斷空腔126和開口 120之間的流體通道。 因此，軸針可以阻止加壓的燃料流出噴射器并流入燃燒室。另一方面，在軸針開啟時， 將加壓的氣體燃料從噴嘴直接引入燃燒室中。軸針可以具有各種尺寸和形狀，以和噴 嘴協(xié)作產(chǎn)生可選擇性開啟和關(guān)閉的噴射燃料的開口。在所示實施例中，軸針130是具 有頂端132的細長構(gòu)件，該頂端具有可密封開口 120的尺寸和形狀。
燃料噴射器60可以包括配置為選擇性地在關(guān)閉位置和開啟位置之間移動軸針的 軸針控制器。在某些實施例中，軸針控制器包括配置為響應(yīng)于控制信號的接收改變電 場和/或磁場的電磁鐵(如電磁線圈)。軸針可以通過響應(yīng)變化的電場和/或磁場在開 啟位置和關(guān)閉位置之間移動。
在上述實施例中，軸針響應(yīng)于變化的電場和/或磁場移動，向軸針控制器供給的 信號可以有效地控制噴嘴開啟的持續(xù)時間。在某些實施例中，向控制器供給脈沖寬度
調(diào)制信號。可以選擇信號的頻率、占空比和/或其他屬性，以使軸針控制器產(chǎn)生期望 的電場和/或磁場，這樣的電場和/或磁場進而使軸針開啟達期望的持續(xù)時間。例如， 與具有較低占空比的信號相比，具有較高占空比的信號可以使軸針開啟更長時間。而 具有較高頻率的信號可以使軸針更加快速地開啟和關(guān)閉。軸針的頻率可以對應(yīng)于變化 的發(fā)動機轉(zhuǎn)速連續(xù)改變，以便在期望的時間向汽缸供給燃料而不管發(fā)動機轉(zhuǎn)速。
在某些實施例中，燃料噴射器可以包括一個或多個將軸針偏置于(bias)開啟位 置或關(guān)閉位置之一的彈簧。在所示實施例中，彈簧140將軸針130偏置于關(guān)閉位置。 一個或多個彈簧的相對強度會影響軸針的開啟和關(guān)閉行為。例如，較強的彈簧可以使 軸針更加快速地從開啟位置移動到關(guān)閉位置(或相反)，這在某些實施例中可以有助 于精確控制燃料噴射量。
軸針130的對齊對于有效限制加壓氣體燃料從開口 120泄露來說很重要。即使軸
針處于關(guān)閉位置，如果軸針變得基本上對不齊，加壓氣體燃料也會泄露到燃燒室中。 此外，軸針對不齊會造成軸針頂端處過早磨損，這也會造成泄露。這樣的對不齊即便 不使精確控制可用于燃燒的燃料量成為不可能，也會使其難以進行，因此是不期望的。 因此，燃料噴射器可以包括一個或多個軸承型裝置，該裝置配置為在軸針移動時引導(dǎo) 軸針并確保其在處于關(guān)閉位置時適當(dāng)密封噴嘴開口 。
本發(fā)明的氫燃料噴射器可以保持軸針對齊而不依賴于易磨損的襯套，或依賴于與 軸針滑動接觸的其他對齊裝置。氫燃料噴射器的現(xiàn)有設(shè)計使用常規(guī)的滑動軸承面來支 撐和定位軸針與電樞。這類軸承可以在有潤滑的應(yīng)用中提供足夠的性能，然而氫燃料 不能對磨損面提供足夠的潤滑。因此，不依賴于滑動接觸的對齊裝置可用于延長噴射 器的壽命和/或改進噴射器的性能。
圖3示出可以保持軸針對齊而不使用襯套或依賴于與軸針的滑動接觸的其他裝 置的軸針總成150的非限制性示例。軸針總成150包括軸針130、支架152,及支撐 件154a和154b。在該實施例中，軸針、支撐件及支架作為一個整體單元制造，然而 這不是在所有實施例中必須的。支架可以固定在噴射器中，而支撐件可以在整個移動 范圍中精確地對齊軸針的垂直縱向運動。換句話說，如圖4所示，支撐件可以相對于 支架和/或軸針進行樞軸旋轉(zhuǎn)和/或彎曲，從而允許軸針上下移動。在所示實施例中， 移動的的范圍約為60微米。支撐件的數(shù)量、材料、長度、寬度和厚度可根據(jù)具體的 噴射器需求確定。支撐件可以用作將軸針偏置于關(guān)閉位置或開啟位置的懸臂彈簧。因 此，可以選擇支撐件的相對彈性，以提供期望的偏置程度。在某些實施例中，另一個 彈簧，如線圈彈簧140可以補充支撐件的偏置，然而這不是必須的。
在所示實施例中，有兩個平行支撐件。因此，支撐件得益于保持軸針相對于支架 平行的平行四邊形效應(yīng)。在所示實施例中，軸針僅在一側(cè)得到支撐，因此軸針可能在 其上下移動時稍微呈弧形。
在某些實施例中，支撐件基本上是直線形的。在其他實施例中，支撐件可以具有
非直線形狀。在任一情況下，支撐件都可以配置為在支撐件的整個長度中彎曲和改變 形狀，或可以配置支撐件，以使大部分彎曲發(fā)生在支撐件上有限的一段中。作為非限 制性示例，軸針和支撐件之間的接頭和/或支撐件和支架之間的接頭可以配置為提供 大部分彎曲，而支撐件的中間部分保持基本上固定。例如，在某些實施例中，支撐件 不可彎曲，且接頭可以用鉸接方式連接以允許軸針的所有垂直運動。在這樣的情況下， 可以使用外部彈簧，如線圈彈簧來偏置軸針。作為另一個示例，接頭可以是相對剛性 的，以使大部分彎曲發(fā)生在支撐件的整個中間部分中。作為又一個示例，部分彎曲可 以發(fā)生在接頭處，而部分彎曲可以發(fā)生在支撐件的整個中間部分中。
在某些實施例中，在軸針處于關(guān)閉位置時，支撐件可以稍稍向下傾斜。以此方式， 在軸針完全開啟時，支撐件只需要稍稍向上傾斜即可。因此，可以限制支撐件越過中 間位置傾斜的量，并減少軸針在開啟和關(guān)閉時的水平位移。
圖5示出軸針總成160的另一個實施例。軸針總成160包括軸針162、頂部支架 164和頂部支撐件166。該軸針總成還包括底部支架168和底部支撐件170。如上參 考軸針總成150所述，軸針總成160包括可得益于平行四邊形效應(yīng)的一對支撐件，該 效應(yīng)有助于保持軸針相對于支架平行的關(guān)系。作為示例，支撐件166和170保持基本 上平行于彼此，因此軸針保持與連接頂部支架與支撐件166的接頭及底部支架與支撐 件168的接頭的直線平行。以此方式，軸針對齊得到增強。
軸針總成150和軸針總成160兩者都配置為獨立于任何與襯套或軸承面的滑動接 觸保持軸針對齊，然而在某些實施例中可以可選地使用補充的滑動接觸。也可以使用 具有不同配置的其他軸針總成而不偏離本發(fā)明的精神。作為非限制性示例，使用懸臂 彈簧和/或平行四邊形配置的其他配置也可以用于保持軸針對齊并有助于軸針移動。
權(quán)利要求
1.一種燃料噴射器，其特征在于，包括配置為接收來自燃料導(dǎo)管的加壓氣體燃料的燃料通道；與所述燃料通道流體連通的噴嘴；具有開啟位置和關(guān)閉位置的軸針，其中在所述軸針處于開啟位置時通過所述噴嘴供給加壓氣體燃料，而在所述軸針處于關(guān)閉位置時基本上阻止所述加壓氣體燃料的供給；使所述軸針與所述噴嘴對齊的懸臂支撐件；及配置為在關(guān)閉位置和開啟位置之間選擇性地移動所述軸針的軸針控制器。
2. 如權(quán)利要求l所述的燃料噴射器，其特征在于，所述懸臂支撐件將所述軸針 偏置于關(guān)閉位置。
3. 如權(quán)利要求l所述的燃料噴射器，其特征在于，所述懸臂支撐件是多個懸臂 支撐件中的一個，且每個懸臂支撐件都平行于至少一個其他懸臂支撐件安裝。
4. 如權(quán)利要求3所述的燃料噴射器， 個都是懸臂彈簧。
5. 如權(quán)利要求3所述的燃料噴射器, 所述軸針徑向延伸的一組頂部支撐件。
6. 如權(quán)利要求5所述的燃料噴射器, 所述軸針徑向延伸的一組底部支撐件。
7. 如權(quán)利要求3所述的燃料噴射器， 個都基本上垂直于所述軸針向外延伸。
8. 如權(quán)利要求l所述的燃料噴射器, 磁線圈。其特征在于，所述多個懸臂支撐件中的每 其特征在于，所述多個懸臂支撐件包括從 其特征在于，所述多個懸臂支撐件包括從 其特征在于，所述多個懸臂支撐件中的每 其特征在于，所述軸針控制器包括電控電
9. 一種燃料噴射器，其特征在于，包括 配置為接收來自燃料導(dǎo)管的加壓氣體燃料的燃料通道;與所述燃料通道流體連通的噴嘴；具有開啟位置和關(guān)閉位置的軸針，其中在所述軸針處于開啟位置時通過所述噴嘴 供給加壓氣體燃料，而在所述軸針處于關(guān)閉位置時基本上阻止所述加壓氣體燃料的供給；使所述軸針與所述噴嘴對齊的平行四邊形支撐件總成；及 配置為在關(guān)閉位置和開啟位置之間選擇性地移動所述軸針的軸針控制器。
10. 如權(quán)利要求9所述的燃料噴射器，其特征在于，所述平行四邊形支撐件總成 包括至少兩個從所述軸針橫向延伸的平行的支撐構(gòu)件。
11. 如權(quán)利要求io所述的燃料噴射器，其特征在于，所述支撐構(gòu)件中的每個都 是懸臂彈簧。
12. 如權(quán)利要求9所述的燃料噴射器，其特征在于，所述軸針控制器包括電控電 磁線圏。
13. —種燃料噴射器，其特征在于，包括 配置為接收來自燃料導(dǎo)管的加壓氣體燃料的燃料通道； 與所述燃料通道流體連通的噴嘴；具有開啟位置和關(guān)閉位置的軸針，其中在所述軸針處于開啟位置時通過所述噴嘴 供給加壓氣體燃料，而在所述軸針處于關(guān)閉位置時基本上阻止所述加壓氣體燃料的供 給；從所述軸針橫向延伸到支架的支撐件，所述支撐件使所述軸針與所述噴嘴對齊；及配置為在關(guān)閉位置和開啟位置之間選擇性地移動所述軸針的軸針控制器。
全文摘要
一種燃料噴射器。該燃料噴射器包括配置為接收來自燃料導(dǎo)管的加壓氣體燃料的燃料通道，及與該燃料通道流體連通的噴嘴。該燃料噴射器還包括具有開啟位置及關(guān)閉位置的軸針，其中在軸針處于開啟位置時，通過噴嘴供給加壓氣體燃料，而在軸針處于關(guān)閉位置時，基本上阻止加壓氣體燃料的引入。支撐件使軸針與噴嘴對齊。軸針控制器配置為選擇性地在關(guān)閉位置和開啟位置之間移動軸針。
文檔編號F23R3/38GK101182927SQ20071016967
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
發(fā)明者卡爾·約翰遜, 拉里·里瑟福特 申請人:福特環(huán)球技術(shù)公司