專利名稱：具有速率整形性能的單流體噴射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及單流體燃料噴射系統(tǒng)(single fluid fuel injection system),更特別地涉及具有速率整形/速率(廓形)控制(rate shaping) 性能的這種燃料噴射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
工程師們已經(jīng)意識到，可通過在控制噴射正時(shí)、流動(dòng)速率、噴射量、 噴射速率形狀、噴射結(jié)束的特征以及現(xiàn)有技術(shù)中公知的其它因素方面具有 最大的靈活性的燃料噴射系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的操作范圍內(nèi)降低不希望的發(fā)動(dòng) 機(jī)排放，如NOx、顆粒和未燃燒的碳?xì)浠衔?。對最大靈活性的期望通常 通過對管理與燃料噴射系統(tǒng)部件相關(guān)的成本和可制造性的需要、對可靠的 系統(tǒng)的需要、對降低系統(tǒng)中各燃料噴射器之間的性能差異的期望以及現(xiàn)有 技術(shù)中公知的其它因素來調(diào)整。最初通過向燃料噴射器中引入電致動(dòng)器來 得到與發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄轉(zhuǎn)角不相關(guān)的、關(guān)于噴射正時(shí)和噴射量的某種闊值控制 性能，從而處理這些問題。對于共軌燃料噴射系統(tǒng)的情況，這種閾值控制對于前一種情況，通過經(jīng)由電致動(dòng)器開啟和關(guān)閉吸入閥，從而使燃料噴射 器的噴嘴腔接通和切斷與高壓燃料軌的流體連接。在某些情況下，吸入閥 直接連接到電致動(dòng)器，如螺線管，而在其它情況下，吸入閥是先導(dǎo)作用(pilot operated)的。在其它的共軌燃料噴射系統(tǒng)中，噴嘴腔一直保持高壓軌道 流體地連接，但是通過釋放直接控制針閥的關(guān)閉液壓表面/用于關(guān)閉的液壓 表面上的壓力來使噴嘴開啟和關(guān)閉。盡管這些共軌燃料噴射系統(tǒng)具有很多 所需要的方面，但使噴射特征的靈活性最大化的能力仍是難于發(fā)現(xiàn)的。5,984,200公開的一個(gè)示例的共軌燃料噴射 器中，先導(dǎo)作用式吸入閥應(yīng)當(dāng)包括允許燃料噴射器對于噴射過程的初期提 供較慢的噴射率以便產(chǎn)生在本領(lǐng)域中通常稱作坡形(ramp-shaped)噴射 過程的噴射過程的特征。雖然在某些發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下，發(fā)現(xiàn)坡形噴射過 程確實(shí)在降低不需要的排放方面是有效的，但其它的發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件經(jīng)常 要求不同的噴射特征以便有效地降低不需要的排放。在這些其它的需要的 噴射特征中有分段噴射、產(chǎn)生方形前端噴射速率形狀的能力、以及突然結(jié) 束噴射過程的能力。因此，已發(fā)現(xiàn)很難生產(chǎn)出具有擴(kuò)展的性能范圍的共軌 燃料噴射器。本發(fā)明的目的在于克服前述問題中的 一個(gè)或多個(gè)。 發(fā)明內(nèi)容一方面， 一種燃料噴射器包括具有燃料供給通路、燃料排出通路、噴 嘴通路、吸入控制腔和針閥控制腔的噴射器主體。 一控制閥安裝到噴射器 主體上并且包括一可操作地連接到 一電致動(dòng)器的控制閥部件。所述控制閥 部件可在第一位置與第二位置之間移動(dòng)。 一吸入閥部件設(shè)置在所述噴射器 主體中并且可在燃料供給通路與噴嘴通路接通的第 一位置與燃料供給通路 與所述噴嘴通路切斷的第二位置之間移動(dòng)。吸入閥部件包括暴露于吸入控 制腔中的流體壓力下的控制表面。直接控制針閥包括具有暴露于針閥控制 腔中的流體壓力下的關(guān)閉液壓表面的部件。另一方面，噴射燃料的方法包括通過使吸入閥部件從第一位置移動(dòng)到 第二位置來使燃料供給通路與噴嘴通路接通的步驟。釋放直接控制針閥的 部件的關(guān)閉液壓表面上的壓力。所述接通和釋放步驟至少部分通過使控制 閥部件從第一位置移動(dòng)到第二位置來實(shí)現(xiàn)。通過給電致動(dòng)器通電來移動(dòng)控 制閥部件。


圖l是具有才艮據(jù)本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2是圖1的燃料系統(tǒng)的燃料噴射器的部分剖開的側(cè)視圖； 圖3是根據(jù)本發(fā)明的吸入閥的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的燃料噴射器的部分剖開的側(cè)^f見圖； 圖5A是根據(jù)本發(fā)明的示例性方形噴射過程的控制閥部件的位置相對 于時(shí)間的圖；圖5B是圖5A的噴射過程的吸入閥部件的位置相對于時(shí)間的圖；圖5C是圖5A和B的燃料噴射過程的針閥部件的位置相對于時(shí)間的圖；圖5D是圖5A-C的燃料噴射過程的噴射流速率相對于時(shí)間的圖； 圖6A是根據(jù)本發(fā)明的分段噴射過程的控制閥部件的位置相對于時(shí)間 的圖；圖6B是圖6A的分段噴射過程的吸入閥部件的位置相對于時(shí)間的圖； 圖6C是圖6A和B的分段噴射過程的針閥部件的位置相對于時(shí)間的圖；圖6D是圖6A-C的分段噴射過程的噴射流速率相對于時(shí)間的圖；圖7A是才艮據(jù)本發(fā)明的另一方面的多次噴射過程的控制閥部件的位置相對于時(shí)間的圖；圖7B是圖7A的噴射過程的吸入閥部件的位置相對于時(shí)間的圖； 圖7C是圖7A和B的噴射過程和針閥部件的位置相對于時(shí)間的圖； 圖7D是圖7A-C的多次噴射過程的噴射流速率相對于時(shí)間的圖； 圖8A是對于根據(jù)本發(fā)明的另一方面的坡形噴射過程，控制閥的位置相對于時(shí)間的圖；圖8B對于幾個(gè)不同的間隙范圍尺度，吸入閥部件的位置相對于時(shí)間 的一系列的圖；圖8C是對于不同的間隙范圍尺度，閥部件的位置相對于時(shí)間的圖； 圖8D是對于圖8A-C不同的徑向間隙范圍，噴射流速率相對于時(shí)間的 一系列的圖。
具體實(shí)施方式
參照圖1，發(fā)動(dòng)機(jī)IO包括多個(gè)氣缸11和一燃料噴射系統(tǒng)12。各氣缸 的單個(gè)燃料噴射器14的尖部至少部分地設(shè)置在該氣缸的內(nèi)部用以直接燃 料噴射，如用于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的情況。燃料噴射系統(tǒng)12包括容納有增壓的 燃料的共軌16，該共軌經(jīng)由單獨(dú)的燃料供給管路24與每個(gè)燃料噴射器14 的入口 26流體地連接。各燃料噴射器14還包括經(jīng)由排出管路與低壓燃料 箱22流體地連接的排出口 32。共軌16中的燃料被泵18增壓，該泵以已 知的方式將燃料從低壓(燃料)箱22中抽出。優(yōu)選地由電子控制模塊20 經(jīng)由控制通信線路30來控制該泵18。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到， 可以用其它方式，如經(jīng)由電子控制的回油閥(spiUvalve),來控制共軌16 中的燃料壓力。每個(gè)燃料噴射器都包括單個(gè)由電子控制模塊20經(jīng)由單獨(dú)的 控制通信線路28來控制的單獨(dú)的電動(dòng)致動(dòng)器42,(圖中)僅示出其中之 一。盡管單個(gè)電致動(dòng)器42示出為螺線管，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到， 可以用其它的致動(dòng)器，如壓電的疊層式致動(dòng)器或彎曲式致動(dòng)器，來代替所 述螺線管。參照圖2，示出各燃料噴射器14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流體回路。具體地，燃 料入口 26與燃料供給通路36相連接，該燃料供給通路36經(jīng)由一吸入控制 閥59與噴嘴通路69相分開，所示的吸入控制閥處在關(guān)閉高壓座62的關(guān)閉 位置。燃料噴射器14的操作由包括在低壓座46與高壓座45之間移動(dòng)的控 制閥部件44的控制閥40來控制?？刂崎y部件44可操作地連接到電致動(dòng)器 42，該電致動(dòng)器42在本例中包括銜鐵43。控制閥部件44和銜鐵43通常 經(jīng)由偏壓彈簧41向下偏壓以關(guān)閉低壓座46。當(dāng)控制閥部件44處在下部位 置關(guān)閉低壓座46時(shí)， 一壓力控制通路50經(jīng)由 一分支通路38與燃料供給通 路36流體地連接。當(dāng)電致動(dòng)器42被供電時(shí)，銜鐵43和控制閥部件44被 向上提升以關(guān)閉高壓座45并且打開低壓座46，使得壓力控制通路50經(jīng)由 排出通路47與排出口 32流體地連接。如果需要，排出通路47可以包括流 動(dòng)約束部48以使通過排出通路47的流速減慢從而實(shí)現(xiàn)所需要的效果?？砂鲃?dòng)約束部51的壓力控制通路50經(jīng)由 一分支通路53與吸入控制腔67以及針閥控制腔52流體地連接。該分支通路53優(yōu)選地包括一流動(dòng) 約束部44或一些其它的影響流動(dòng)的特征，如4皮動(dòng)閥(passive valve)和/ 或特別地成形的通路以便產(chǎn)生某種流動(dòng)特征。如圖所示，吸入閥40包括通 常被偏壓彈簧63向上偏壓至關(guān)閉位置以關(guān)閉高壓座62的p及入閥部件60。 另外，在吸入控制腔67中的液壓力作用在吸入閥部件60的控制表面64 上，該控制表面64與總是暴露于燃料供給通路36中的高壓下的打開液壓 表面61/用于打開的液壓表面相反。盡管不是必要的，但打開液壓表面61 的有效面積優(yōu)選為大致等于控制表面64的有效面積，使得當(dāng)通過打開高壓 座45使吸入控制腔67與燃料供給通路36流體地連接時(shí)，彈簧63向上向 關(guān)閉位置給吸入閥部件60施壓。當(dāng)吸入閥部件60如圖所示處于上部的笫一位置時(shí)，噴嘴通路69與可 包括一流動(dòng)約束部76的排出通路68流體地連接。這樣，在各噴射過程之 間，噴嘴通路69經(jīng)由與排出通路68的連接而處在低壓，并且通過提升座 62而與高壓燃料供給通路36流體相隔斷，該座62優(yōu)選是現(xiàn)有技術(shù)中公知 類型的錐形閥座。當(dāng)向上提升控制閥部件44以關(guān)閉高壓座45時(shí)，吸入控 制腔67與低壓排出通路47流體地連接，使得作用在打開液壓表面61上的 高壓力向下移動(dòng)p及入閥部件60以打開提升座62并且關(guān)閉與排出(通路) 68的流體連接。這樣，當(dāng)使吸入閥部件60向下移動(dòng)時(shí)，燃料供給通路36 與噴嘴通路69流體地連接，當(dāng)針岡部件71被提升到上部的開啟位置時(shí)， 該噴嘴通路69與噴嘴出口 (未示出)接通。在本實(shí)施例中，直接控制針閥70包括一針閥部件71、提升隔板72和 針狀活塞73。針閥部件71通常經(jīng)由偏壓彈簧75向下偏壓至關(guān)閉位置以關(guān) 閉噴嘴出口 (未示出)。針狀活塞73包括一暴露于針閥控制腔52中的流 體壓力下的關(guān)閉液壓表面74。當(dāng)控制閥部件44處于通常向下偏壓的關(guān)閉 位置以關(guān)閉低壓座46并且打開高壓座45時(shí)，針閥控制腔52被加壓使得針 閥部件71會(huì)保持在，或移動(dòng)到，下部的關(guān)閉位置。然而，當(dāng)給電致動(dòng)器 42通電以關(guān)閉高壓座45并且打開低壓座46時(shí)，在針閥控制腔52中的流 體壓力被釋放。如果此時(shí)在噴嘴通路69中的燃料壓力高于閥開啟壓力，則針閥部件71、提升隔板72和針狀活塞73會(huì)向上提升以打開噴嘴出口從而 開始從燃料噴射器14的燃料噴射。在針閥70上的開啟力以通常的方式作 用在針閥部件71的打開液壓表面78上?，F(xiàn)在參照圖4，除燃料噴射器114的針閥170包括本身包括關(guān)閉液壓 表面174的針閥部件171之外，根據(jù)另一實(shí)施例的燃料噴射器114與燃料 噴射器14基本相同。已知圖2的實(shí)施例將關(guān)閉液壓表面74定位在針狀活 塞73上，該針狀活塞73可以是與針閥部件71相分離的零件。對于直接控 制針閥170的情況，優(yōu)選地使針閥部件171液壓平衡，從而使當(dāng)該針閥部 件171被向上提升到打開位置時(shí)，關(guān)閉液壓表面174的有效面積大致等于 打開液壓表面178和在噴嘴出口 31的附近暴露的面積相結(jié)合的有效面積。 換句話說，如果針閥控制腔152中的流體壓力與噴嘴腔29中的流體壓力大 致相同，則針閥部件171會(huì)在偏壓彈簧175的作用下保持在或移動(dòng)到下部 的關(guān)閉位置。在其它方面，燃料噴射器114與燃料噴射器14相同。換句話 說，噴嘴腔29與噴嘴通路169流體地連接，該噴嘴通路169經(jīng)由吸入控制 閥59對燃料供給通路36接通或切斷。另外，針閥控制腔152經(jīng)由壓力控 制通路150與控制閥40流體地連接?，F(xiàn)在參照圖3，根據(jù)本發(fā)明的吸入閥59的示意圖包括多個(gè)使部件具有 特別的性能特征的設(shè)計(jì)變量A-E。尺度A稱為間隙范圍尺寸(值)，該尺 度是存在于吸入閥部件60的外表面與其內(nèi)設(shè)置有閥部件的孔的內(nèi)徑間的 流動(dòng)約束。隨著A變小，當(dāng)向燃料供給通路36接通和切斷噴嘴通路69時(shí)， p及入閥59開始更像滑閥地工作。當(dāng)A變大時(shí)，吸入閥59更像簡單提升閥 地運(yùn)作并且流體地接通和切斷燃料供給通路36與噴嘴通路69之間的連接。 然而，存在著取決于特定的應(yīng)用場合的間隙范圍，其中在吸入閥部件60 的從如圖所示的第一位置至在下部的第二位置的行程距離E的一部分的范 圍內(nèi)，燃料供給通路36與噴嘴通路69之間的流體連接會(huì)受到約束。尺度B是指間隙范圍長度，并且該尺度B通常地，但不是必須地，短 于吸入閥部件60的行程距離E。換句話說，間隙范圍長度B確定吸入閥部 件的行程距離E的其中燃料供給通路36與噴嘴通路69之間的流體連接受到約束的一段的長度。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，通過在吸入閥部件60 移動(dòng)時(shí)向流體連接中《1入這種流動(dòng)約束，可使噴嘴通路69中的燃料壓力更 緩和地升高以產(chǎn)生前端速率整形，例如坡形的前端形狀。通過其它設(shè)計(jì)特 征來影響當(dāng)吸入閥部件60移動(dòng)時(shí)噴嘴通路69中的壓力，如確定當(dāng)吸入閥 部件60向下部的第二位置向下移動(dòng)時(shí)噴嘴通路69保持與排出通路68接通 的時(shí)長的排出開口段C。另外，通過在排出通路68中設(shè)置流動(dòng)約束部，也 可使在噴嘴通路69中的流體壓力受到影響。換句話說，噴嘴通路69不與 排出通路68相切斷，直到滑閥表面66移動(dòng)到由吸入閥部件60在其內(nèi)部移 動(dòng)的孔限定的肩部附近。在滑閥邊緣鄰近該肩部之前，吸入閥部件60必須 移動(dòng)的距離是尺度C。然而，如果流動(dòng)約束D (的尺寸)過大，則即使在 較低的壓力水平下，也不能在排出通路68保持接通時(shí)在噴嘴通路69中建 立壓力從而不會(huì)發(fā)生燃料噴射，直到完成尺度C并且排出通路68被切斷 為止。另一方面，如果完全地切斷排出(通路)68,則在噴嘴通路69中的 燃料壓力會(huì)殘留于各噴射過程之間。因此，存在一個(gè)流動(dòng)約束部的流動(dòng)區(qū) 域D的范圍，該流動(dòng)約束部在吸入閥部件60從上部的第一位置向下部的 第二位置移動(dòng)時(shí)，允許在噴嘴通路69中的燃料壓力達(dá)到高于足以打開直接 控制針閥70， 170的閥開啟壓力。換句話說，當(dāng)吸入閥部件60向下部的第 二位置移動(dòng)時(shí)，噴嘴通路69中的燃料壓力可處于足以打開直接控制針閥部 件72的減慢的，但增長的水平從而產(chǎn)生前端速率整形。本發(fā)明的另一特征涉及流動(dòng)控制特征154。在圖2的實(shí)施例中，該特 征是簡單的流動(dòng)約束孔。正是這種特征有利于使吸入閥部件60從上部的第 一位置至下部的第二位置的移動(dòng)速率減慢。換句話說，通過約束必須從吸 入控制腔67傳送到分支通路53的燃料的流動(dòng)速率，可使吸入閥部件60 的移動(dòng)速率減慢從而使各種設(shè)計(jì)特征會(huì)有時(shí)間來產(chǎn)生所需要的前端速率整 形效果。換句話說，如果吸入閥部件60過快地從第一位置移動(dòng)到下部的第 二位置，則不同特征A-E會(huì)產(chǎn)生很少的作用。另一方面，吸入閥部件應(yīng)當(dāng) 具有完全縮回并且在各噴射過程之間關(guān)閉高壓座62的能力。因此，如果流 動(dòng)約束部54(尺寸)(圖2)過大，則吸入閥部件60會(huì)^艮快地從其第一位置移動(dòng)到第二位置從而產(chǎn)生很少地或并沒有產(chǎn)生速率整形作用。另一方面，如果流動(dòng)約束部54過小，則吸入閥59可能會(huì)不能夠完全收回并在噴射過 程之間重置該閥自身。因此，會(huì)需要使離開吸入控制腔67的流體流比流入 吸入控制腔67的流體更有抵抗力(resistive)。這可在圖3的實(shí)施例中實(shí) 現(xiàn)，例如，通過包括在授予Jiang的共同所有的美國專利6,631,738中公開 的凈皮動(dòng)閥，該被動(dòng)閥包括移動(dòng)以使通路沿一個(gè)方向?qū)α黧w的約束大于其沿 另一方向?qū)α黧w的約束的球形閥部件。另外，流動(dòng)控制特征154可以是特 別地成形的通路，如在授予Wear等人的共同所有的美國專利6,024,296所 公開的特征，該流動(dòng)控制特征沿一個(gè)方向?qū)α黧w的約束大于其沿相反的方 向?qū)α黧w的約束。正是本發(fā)明的這一方面還影響吸入閥部件60能夠移動(dòng)至 上部的第一位置從而為下一次噴射過程重置的快速程度。另一個(gè)有益于燃料噴射器14， 114產(chǎn)生分段噴射的能力的設(shè)計(jì)方面將 會(huì)稱為滯后作用(histeresis effect)。換句話說，吸入閥部件60改變移動(dòng) 方向的能力，或從下部的第二位置向上部的第 一位置移動(dòng)得遠(yuǎn)到足以關(guān)閉 高壓座62的能力，應(yīng)當(dāng)比控制閥部件44和針閥部件71在它們的第一和第 二位置之間移動(dòng)的能力滯后。這會(huì)受到在各個(gè)閥部件上的不同的表面積、 流動(dòng)約束、質(zhì)量特征、彈簧預(yù)載等的影響。正是本發(fā)明的這個(gè)方面能夠允許燃料噴射器14， 114產(chǎn)生分段噴射以 及方形的前端速率形狀。換句話說，通過首先向上移動(dòng)控制閥部件44從而 打開低壓座并且釋^L吸入控制腔67中的壓力，侵_得吸入閥部件60開始向 下移動(dòng)以開始噴射過程，可產(chǎn)生方形的前端速率形狀。然而，在噴嘴通路 69中的壓力達(dá)到閥開啟壓力之前，電致動(dòng)器42暫時(shí)斷電以再次打開高壓 座45。然而，由于吸入閥部件60的向下的沖力，該吸入閥部件不會(huì)逆轉(zhuǎn) 方向以關(guān)閉高壓座62，但是直接控制針閥70的快速動(dòng)作^f吏該針閥暫時(shí)關(guān) 閉，同時(shí)在噴嘴通路69中繼續(xù)建立壓力。當(dāng)吸入閥部件60仍然向下移動(dòng) 時(shí)或者當(dāng)該吸入閥部件已經(jīng)到達(dá)第二位置時(shí)，在某需要的時(shí)刻給電致動(dòng)器 42通電以關(guān)閉高壓座45并且再次打開^氐壓座46以釋方丈針閥控制腔52中 的壓力，使得直接控制針閥70能夠向上部的開啟位置提升，并且以明顯高于由偏壓彈簧75的預(yù)載和打開液壓表面78的大小所限定的閥開啟壓力的 壓力開始燃料噴射。換句話說，噴射過程可在接近全壓(full pressure)的 情況下開始，其中噴嘴通路69中的燃料壓力大致等于燃料供給通路36中 的燃料壓力。因此，通過在吸入閥部件60移動(dòng)時(shí)打開和關(guān)閉控制閥40, 會(huì)使各設(shè)計(jì)特征A-E對所形成的噴射過程產(chǎn)生極小作用或不產(chǎn)生作用。 工業(yè)適用性盡管本發(fā)明可能應(yīng)用于包括但不限于凸輪致動(dòng)的和液壓致動(dòng)的燃料噴 射系統(tǒng)的任意類型的燃料噴射系統(tǒng)，本發(fā)明優(yōu)選地應(yīng)用于共軌燃料噴射系 統(tǒng)中。另外，本發(fā)明優(yōu)選應(yīng)用于在保持較低的成本的同時(shí)具有基本的燃料 噴器的性能的二線制共軌燃料噴射系統(tǒng)(two-wire common rail fuel injection system)中。另外，本發(fā)明優(yōu)選適用于單流體一即燃料一燃料噴 射系統(tǒng)(single fluid fuel injection system)。盡管以壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)的為背景來說 明本發(fā)明，但本發(fā)明也適用于其它發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，包括但不限于火花點(diǎn)火 式發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管所說明的燃料噴射系統(tǒng)12對每一個(gè)燃料噴射器14, 114 僅包括單個(gè)電致動(dòng)器42,但是該燃料噴射系統(tǒng)12具有產(chǎn)生坡形的噴射形 狀、方形的噴射形狀、分段噴射以及較為突然/陡峭的噴射噴油結(jié)束 (ending)的能力。另外，可與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件不相關(guān)地選擇這些不同 的噴射廓形。最后，與很多電子控制的燃料噴射系統(tǒng)相似，燃料噴射器14， 114對噴射正時(shí)和噴射量的具有較精確的控制，所述控制可與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速、負(fù)荷以及曲軸轉(zhuǎn)角不相關(guān)地進(jìn)行選擇。參照圖2-4和圖5-5A-D，通過在噴射過程期間，為與控制閥40相關(guān) 聯(lián)/作用的電致動(dòng)器42進(jìn)行兩次通電和斷電，來產(chǎn)生方形噴射速率形狀。 如圖5中所示，在噴射過程開始之前，使電致動(dòng)器42斷電并且控制閥部件 44處于下部的關(guān)閉低壓座46并且打開高壓座45的位置。當(dāng)處于該位置時(shí)， 作用在吸入閥部件60的打開液壓表面61和控制表面64上的壓力較為平 衡，使得偏壓彈簧63向上給吸入閥部件60施壓以保持座62關(guān)閉。這樣， 在噴射過程開始之前，燃料供給通路36與通過與排出(通路)68的連接 而處于低壓的噴嘴通路69相阻斷。另外，直接控制針閥70由于偏壓彈簧75的偏壓力以及作用在針閥控制腔52中的關(guān)閉液壓表面74上的高壓而處 于關(guān)閉位置。通過給電致動(dòng)器42通電并且向上拉動(dòng)銜鐵43以及控制閥部 件44以關(guān)閉高壓座45并且打開低壓座46而開始噴射過程。這由于在吸入 控制腔67中的壓降而釋放了控制表面64上的壓力，致使吸入閥部件60 向下移動(dòng)以打開座62。圖5B示出吸入閥部件60開始^^氐抗偏壓彈簧63的 作用從保持位置向下部的停止位置(stop)移動(dòng)。此時(shí)，在噴嘴通路69中 開始建立壓力。然而，在壓力達(dá)到足以致使針閥部件71提升并且打開噴嘴 出口的閥開啟壓力之前，使電致動(dòng)器42斷電以再打開高壓座45并且關(guān)閉 低壓座46。因?yàn)槿剂蠅毫ι形催_(dá)到閥開啟壓力，針閥部件如5C所示保持 在關(guān)閉位置。然而，吸入閥部件60如圖5B中的突出101處所示在向下移 動(dòng)中開始減慢。盡管如此，供給通路36與噴嘴通路69之間的流體連接保 持接通，并且噴嘴通路69中的壓力繼續(xù)增加到超過閥開啟壓力。在吸入閥 部件60逆轉(zhuǎn)方向并實(shí)際上關(guān)閉座62之前的某一時(shí)刻，使電致動(dòng)器42再通 電以再次打開低壓座46并且再次關(guān)閉高壓座45。如5C所示，這釋放了針 岡控制腔52中的壓力并且允許針閥部件71提升至上部的開啟位置。此時(shí)， 如圖5D中所示的較方的前端速率形狀，燃料噴射在壓力較高的情況下開 始。在某個(gè)需要的時(shí)刻，通過再次使電致動(dòng)器42斷電以再打開高壓座45壓，使該針閥70在針閥控制腔52中的液壓力和來自偏壓彈簧75的力的作 用下向下移動(dòng)至關(guān)閉位置以關(guān)閉噴嘴出口 31,進(jìn)而使噴射過程突然結(jié)束。 對于圖4的燃料噴射器114，因?yàn)楫?dāng)噴射過程結(jié)束時(shí)針閥部件171會(huì)基本 處于液壓平衡，所述的向下的力實(shí)際上會(huì)是僅為來自偏壓彈簧175的力。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，通過改變圖5A中的展寬(時(shí)間延遲)102， 可由方形的、部分坡形的、并且甚至可能是開始很高、再減小然后再返回 至最高水平的噴射過程產(chǎn)生出不同的噴射速率形狀。要實(shí)現(xiàn)后一種噴射過 程，所述展寬應(yīng)當(dāng)是使得吸入閥部件逆轉(zhuǎn)方向并且向座62移動(dòng)，但是在該 吸入閥部件實(shí)際上關(guān)閉座62之前再次逆轉(zhuǎn)方向。參照圖6A-D,說明示例性分段燃料噴射過程。在此示例過程中，如圖 5和圖6C和6D中所示，首先使電致動(dòng)器42通電足夠長的時(shí)間，使得噴 嘴通路69中的燃料壓力上升到高于閥開啟壓力并且針岡部件71提升至開 啟位置以開始噴射。然而，通過使電致動(dòng)器42斷電以向下移動(dòng)控制閥部件 44從而再打開高壓座45以開始分段噴射。這時(shí)，針閥控制腔52中的燃料 壓力迅速升高致使針閥70向下部的關(guān)閉位置移動(dòng)以關(guān)閉噴嘴出口 31來終 止噴射。另外，吸入控制腔67中的燃料壓力升高并且吸入閥部件60開始 向上向座62移動(dòng)。然而，如圖6B中的曲線(movement)中的下降101 所示，在吸入閥部件能夠關(guān)閉供給通路36與噴嘴通路69之間的流體連接 之前，再次使電致動(dòng)器42通電。這樣，吸入閥部件60的移動(dòng)相比于控制 閥部件44和直接控制針閥70來說較緩慢。雖然直接控制針閥70被打開和 關(guān)閉，但吸入閥部件60的移動(dòng)較為緩慢從而使燃料供給通路36與噴嘴通 路69之間的流體連接得以保持。這樣，通過使電致動(dòng)器42再通電以釋放 針閥控制腔52中的壓力并且直接控制針閥70再次提升至開啟位置，從而 開始噴射過程的第二部分。幾乎同時(shí)，吸入閥部件60返回與下部的座相接 觸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，此例說明了主噴射過程具有方形速率形 狀的分段噴射。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，主噴射過程包括坡形的前端形狀的分段 噴射會(huì)要求實(shí)際上更長的展寬從而允許吸入閥部件向座62移動(dòng)得更遠(yuǎn)，以 使間隙范圍A和D (圖3)在主噴射中起作用。另外，取決于所需要的噴 射形狀甚至可使預(yù)噴射過程具有相對的方形形狀的或坡形形狀。因此，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，通過以確定考慮到閥的響應(yīng)和通過燃料噴射器 14， 114的流動(dòng)面積的展寬給電致動(dòng)器42通電和斷電，可產(chǎn)生各種噴射形 狀和分段過程。
圖6B還可用于說明如在噴射過程發(fā)生之后的較為緩和的坡度所示， 吸入閥部件60在向回移動(dòng)從而為下一次噴射過程重置時(shí)可以是較緩慢的。 如上所述，由流動(dòng)約束部54或如上所述的其它影響流動(dòng)的特征154所決定 的允許流體流入吸入控制腔67的快速程度，會(huì)影響這種重置速率。在任何過程中，在所有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，在各發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)之間對于特定的氣缸，都
需要調(diào)節(jié)這種特征從而使吸入閥部件60能夠完全關(guān)閉座62。
參照圖7A-D,通過給電致動(dòng)器42通電和斷電以在控制閥的低壓座46 與高壓座45之間三次前后移動(dòng)該控制閥，可產(chǎn)生緊密連接有預(yù)噴射和主噴 射和后噴射的噴射過程。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，通過調(diào)節(jié)吸入閥部 件相對于快速作用的控制閥部件44和直接控制針閥70,170的移動(dòng)的緩慢 程度，可得到很多種噴射過程，并且在很多情況下，可得到比很多現(xiàn)有技 術(shù)中公知的四線式燃料噴射系統(tǒng)中更多的性能。
現(xiàn)在參照圖8A-D,說明關(guān)于如3所示的間隙范圍A的不同尺寸的幾 個(gè)示例的坡形燃料噴射過程。圖8D的速率曲線102示出，正如所期望的， 通過使的間隙范圍A更小使得坡形的前端速率形狀更緩和。然而，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員會(huì)意識到，可調(diào)節(jié)其它設(shè)計(jì)指標(biāo)以同樣地影響前端速率形狀的 斜率，所述設(shè)計(jì)指標(biāo)包括間隙范圍距離B、排出開口距離C、總的閥行程 距離E和排出通路68中的流動(dòng)約束D的尺寸。另外，通過以現(xiàn)有技術(shù)中 />知的方式升高或降低共軌16中的燃料壓力，實(shí)際上可以影響燃料噴射過 程前端速率形狀。因此，本發(fā)明的燃料噴射系統(tǒng)12可以在僅是兩線式的系 統(tǒng)中形成很多種精確控制的噴射過程，反之很多公知的四線式燃料噴射系 統(tǒng)的性能要更少。
應(yīng)當(dāng)理解，以上的說明僅用于示例的目的，并且不用于以任何方式來 限制本發(fā)明的范圍。例如，盡管所示的吸入閥部件60是通過釋放吸入控制 腔中的壓力來被觸發(fā)從而移動(dòng)的，但是液壓回路可以改變?yōu)橥ㄟ^為致動(dòng) 器42通電來為控制腔增壓，而不是如示例性實(shí)施例中那樣釋放。因此，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)意識到，通過研究附圖、公開文本以及所附的權(quán)利要求 可得到本發(fā)明的其它方面、目的和優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種燃料噴射器(14，114)，包括具有燃料供給通路(36)、燃料排出通路(47)、噴嘴通路(69，169)、吸入控制腔(67)和針閥控制腔(52，152)的噴射器主體；安裝到所述噴射器主體上并且包括控制閥部件(44)的控制閥(40)，所述控制閥部件(44)可操作地連接到電致動(dòng)器(42)并且可在一第一位置和一第二位置之間移動(dòng)；設(shè)置在所述噴射器主體中的吸入閥部件(60)，該吸入閥部件(60)可在所述燃料供給通路(36)與所述噴嘴通路(69，169)接通的第一位置與所述燃料供給通路(36)與所述噴嘴通路(69，169)切斷的第二位置之間移動(dòng)，并且包括暴露于所述吸入控制腔(67)中的流體壓力下的控制表面(64)；包括部件(73，171)的針閥(70)，所述部件具有暴露于針閥控制腔(52，152)中流體壓力下的關(guān)閉液壓表面(74，174)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料噴射器(14, 114)，其特征在于， 當(dāng)所述控制閥部件(44)處在所述第一位置與所述第二位置中的一個(gè)時(shí)， 所述吸入控制腔(67)和所述針閥控制腔(52， 152)中的每個(gè)都與所述燃 料排出通路(47)和所述燃料供給通路(36)中的一個(gè)流體地連接；以及當(dāng)所述控制閥部件(44)處在所述第一位置與所述第二位置中的一個(gè) 時(shí)，所述吸入控制腔(67)和所述針閥控制腔(52， 152)中的每個(gè)都與所 述燃料排出通路(47)和所述燃料供給通路(36)中的一個(gè)流體地阻斷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料噴射器(14， 114),其特征在于， 當(dāng)所述控制閥部件(44)處在所述第一位置時(shí)，所述吸入控制腔(67)和 所述針閥控制腔(52, 152)都與所述燃料供給通路(36)流體地連接；以 及當(dāng)所述控制閥部件(44 )處在所述第二位置時(shí)，所述吸入控制腔(67) 和所述針閥控制腔(52， 152)都與所述燃料排出通路(47)流體地連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料噴射器(14， 114)，其特征在于， 所述吸入閥部件(60)在所述第一位置與所述第二位置之間移動(dòng)過行程距 離(E);所述噴嘴通路(69， 169)經(jīng)由在所述行程距離(E)的預(yù)定段(B) 上的被約束的流動(dòng)區(qū)域(A)與所述燃料供給通路(36)流體地連接，而 當(dāng)所述^^閥部件(60)處在所述第二位置時(shí)經(jīng)由無約束的流動(dòng)區(qū)域來流 體地相連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃料噴射器(14， 114)，其特征在于， 受約束的流動(dòng)區(qū)域是在所述吸入閥部件(60)與所述噴射器主體之間的環(huán) 狀間隙(A);以及所述預(yù)定段具有間隙范圍長度(B)。
6. —種燃料噴射系統(tǒng)(12)，包括 容納有被增壓的燃料的共軌(16);與所述共軌(16 )流體地連接的多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1的燃料噴射器(14， 114)。
7. —種噴射燃料的方法，包括以下步驟通過使吸入閥部件(60)從第一位置移動(dòng)到第二位置來使燃料供給通 路(36)與噴嘴通路(69, 169)接通；釋放針閥(70， 170)的部件的關(guān)閉液壓表面(74， 174)上的壓力；所述的接通和釋放步驟至少部分地通過使控制閥部件(44)從第一位 置移動(dòng)到第二位置來實(shí)現(xiàn)；通過給電致動(dòng)器(42)通電來移動(dòng)所述控制閥部件(44)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，包括當(dāng)吸入閥部件(60)從該部 件的第一位置向該部件的第二位置移動(dòng)時(shí)，通過限制在燃料供給通路(36)與噴嘴通路之間的燃料流動(dòng)從而以較低的速率噴射燃料；和所述限制步驟包括在吸入閥部件(60)的行程距離(A)的一段(B) 約束在燃料供給通路(36)與噴嘴通路(69， 169 )之間的燃料流動(dòng)的步驟。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述限制步驟包括在吸入閥部件(60)從該部件的第一位置至該部件的第二位置移動(dòng)的一部 分的范圍使燃料供給通路(36)與排出通路(47)相接通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種共軌(16)單流體燃料噴射系統(tǒng)(12)，該系統(tǒng)包括具有一個(gè)電致動(dòng)器(42)卻能夠產(chǎn)生坡狀的、方形的和分段的噴射速率形狀的燃料噴射器(14，114)。這是通過包括可操作地連接到電致動(dòng)器并且可在高壓座(45)與低壓座(46)之間移動(dòng)控制閥部件(44)來實(shí)現(xiàn)的。通過經(jīng)由控制閥部件(44)的移動(dòng)來釋放控制表面(64)上的燃料壓力，將吸入閥部件(60)從關(guān)閉位置移至開啟位置，進(jìn)而使燃料供給通路(36)與噴嘴通路接通。另外，通過釋放在與針閥(70，170)相關(guān)聯(lián)的關(guān)閉液壓表面(74)上的壓力，針閥部件(71，171)可從關(guān)閉位置移動(dòng)至開啟位置，這也是通過由電致動(dòng)器(42)使控制閥部件(44)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號F02M45/02GK101253324SQ200680031736
公開日2008年8月27日 申請日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月29日
發(fā)明者D·R·科爾德倫, D·易卜拉欣 申請人:卡特彼勒公司