專利名稱：燃料噴射閥的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制進入內(nèi)燃機中的燃料流的燃料噴射閥和操作這種燃料噴射閥的方法。更特別的是，所述燃料噴射閥包括噴嘴裝置，所述噴嘴裝置對于預(yù)定的閥針運動范圍提供基本恒定的流量。
背景技術(shù)：
燃料噴射閥可以使用多個控制策略用于控制被引入內(nèi)燃機的燃燒室中的燃料的總量。例如，可以由眾所周知的控制策略操縱的一些參數(shù)是噴射事件的脈沖寬度、燃料壓力以及閥針升程。
噴射事件的“脈沖寬度”此處被定義為燃料噴射閥開啟以允許燃料被噴射到燃燒室中的時間。假設(shè)恒定的燃料壓力和恒定的閥針升程，較長的脈沖寬度通常導(dǎo)致更大量的燃料被引入燃燒室中。
然而，從一個噴射事件到另一個噴射事件，燃料壓力不需要恒定，并且燃料壓力可以被提高以增加被引入燃燒室中的燃料的總量。相反，燃料壓力可以被降低以將較少量的燃料噴射到內(nèi)燃機中，例如在怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)的過程中。
作為另一個實例，一些類型的燃料噴射閥可以控制閥針升程以影響引入燃燒室中的燃料的總量。閥針升程的增加通常對應(yīng)于被噴射的燃料的總量的增加，并且一些燃料噴射閥可以被控制以將閥針保持在閉合位置和完全開啟位置之間的中間位置處，以允許比最大流量小的流量。為了控制閥針升程，燃料噴射閥可以使用機械裝置或者致動器，所述機械裝置或者致動器可以控制以將閥針提升并且保持在閉合位置和完全開啟位置之間的中間位置處。
歐洲專利說明書EP 0 615 065 B1(“shibata”)公開了一種燃料噴射閥，用于利用噴射泵噴射液體燃料，所述噴射泵具有被凸輪驅(qū)動的柱塞，所述柱塞往復(fù)運動以增加燃料壓力從而致動燃料噴射閥。所述凸輪具有低速區(qū)域和高速區(qū)域，在低速區(qū)域處，泵的燃料供應(yīng)速度低，在高速區(qū)域，燃料供應(yīng)速度高，從而柱塞可以以變化的速度移動。噴射閥具有形成在閥針上的伸長的銷，用于當(dāng)銷位于噴射孔中時甚至當(dāng)閥針移動時保持噴射孔處的燃料通道的尺寸基本恒定，從而燃料噴射質(zhì)量流量基本恒定，直到銷被提升到噴射孔的外面。Shibata公開了這樣一種設(shè)備和方法，該設(shè)備和方法在噴射事件過程中可以用于形成燃料噴射質(zhì)量流量，從而燃料噴射率初始時低(當(dāng)銷位于噴射孔中時)，并且然后升高到較高的燃料噴射率(當(dāng)銷從噴射孔提升時)。然而，因為噴射泵利用凸輪和柱塞裝置被機械地操作，因此燃料噴射質(zhì)量流量的形狀通常對于每個噴射事件都相同。對于每個噴射事件，閥針從閉合位置連續(xù)地移動到完全開啟的位置，并且然后返回到閉合位置，其中處于閥針的端部處的銷提供了產(chǎn)生階梯狀噴射脈沖的限制。Shibata沒有公開用于通過致動閥針來調(diào)節(jié)燃料質(zhì)量流動的設(shè)備或方法，所述設(shè)備或方法可操作以將閥針保持在中間位置，和方法，從而在噴射事件過程中以及從一個噴射事件到另一個噴射事件，閥針升程都可以變化。也就是說，Shibata沒有公開這樣一種設(shè)備或者方法，所述設(shè)備或者方法對于噴射事件的持續(xù)允許閥針部分提升到中間位置，從而為整個噴射事件提供較低的質(zhì)量流量，并且同樣允許閥提升到完全開啟的位置用于另一個噴射事件。
對于公知的控制策略的困難在于在怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)下控制噴射到內(nèi)燃機的燃燒室中的燃料的總量。在這些狀態(tài)下，要求燃料噴射閥僅噴射少量的燃料到燃燒室中，并且噴射到燃燒室中的燃料的總量的即使小的變化也能夠?qū)е氯剂系膰娚淇偭康娘@著變化，這會造成不穩(wěn)定的操作。在高負(fù)荷的狀態(tài)下，相同量級的燃料的總量中的變化對于內(nèi)燃機的操作具有較小的影響，因為當(dāng)這個差異被認(rèn)為是噴射燃料的總量的百分?jǐn)?shù)時，它們代表了適合的噴射燃料總量與實際的噴射燃料總量之間的差異中的非常小的變化。
為了控制在怠速和低負(fù)荷狀態(tài)過程中噴射的燃料的總量，如果控制策略僅操縱脈沖寬度，那么這個策略會造成過于短的脈沖寬度，從而不能提供穩(wěn)定的和有效的燃燒。因此，在怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)下簡單地縮短脈沖寬度以減少噴射的燃料的總量不是適合的策略。
對于怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)充分長的脈沖寬度可以通過降低燃料壓力來實現(xiàn)。對于液體燃料來說，這是可行的策略，但是它需要用于控制燃料壓力的系統(tǒng)，這增加了燃料噴射系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。例如，已知的液體燃料系統(tǒng)可以通過使一部分高壓燃料返回到燃料箱來降低燃料壓力。對于液體燃料，存在對于壓力可以被降到如何低的限制，因為當(dāng)燃料被引入內(nèi)燃機的燃燒室中時，需要最小燃料壓力以將燃料噴成霧狀。然而，這個方法對于氣體燃料更加困難。因為氣體是可壓縮的流體，與液體燃料相比，多很多的氣體燃料必須被返回到燃料箱，用于燃料壓力的類似的降低，并且如果氣體燃料箱被加壓，那么會出現(xiàn)燃料箱壓力超過燃料軌(fuel rail)的壓力的時候，使得返回流動不可能。因此，在沒有把其中一些燃料排放到大氣中的情況下，難以迅速降低氣體燃料的壓力，這是不適合的。因此難以控制燃料壓力以獲得適合的響應(yīng)度，用于在噴射事件或者從一個噴射事件到下一個噴射事件控制燃料噴射質(zhì)量流量。同樣難以控制燃料壓力和噴射閥操作以準(zhǔn)確地將具有適合于每個噴射事件的精度的精確量的燃料噴射，并且再次，燃料總量的僅僅小的變化就會造成不穩(wěn)定的操作狀態(tài)。因此，單獨控制燃料噴射壓力對于調(diào)節(jié)穿過燃料噴射閥的燃料質(zhì)量流量來說不是適合的策略。
如果燃料噴射閥可操作以控制閥針升程，那么流量可以被控制以提供充分長的脈沖寬度以噴射對于處于怠速或者在低負(fù)荷狀態(tài)下操作的內(nèi)燃機來說適合量的燃料。如日本專利申請No.60031204所示，燃料噴射閥可以設(shè)置有停止器，所述停止器可移動以限制閥針的升程。這種類型的機械裝置為燃料噴射閥增加了相當(dāng)大的復(fù)雜性，并且因此產(chǎn)生了較高的制造成本，增加了對于安裝噴射閥組件所需的空間、維護成本以及可靠性方面的考慮。
在另一種途徑中，燃料噴射閥公知為通過使用可變的孔口區(qū)域來控制噴射的燃料的總量。也就是說，噴射閥可以具有兩組孔，從而當(dāng)將要噴射較少量的燃料時，閥可操作以僅通過一組孔來噴射燃料，并且當(dāng)將要噴射較大量的燃料時，燃料通過兩組孔被噴射。美國專利No.4,546,739公開了這種噴射閥的一個實例。與其它已知的機械技術(shù)方案類似，這種裝置增加了復(fù)雜性以及較高的制造成本、維護成本以及可靠性方面的考慮的相關(guān)的缺點。
另一種類型的燃料噴射閥可以由應(yīng)變式致動器直接致動，所述致動器可以被接受指令以將閥針提升到它的閉合位置和開啟位置之間的任何位置。共同擁有的美國專利Nos.6.298.829，6,564,777，6,575,138和6,584,958公開了使用應(yīng)變式致動器的直接致動的燃料噴射閥的實例，所述專利在此整體引為參考。例如，如果應(yīng)變式致動器為壓電致動器，通過控制施加給致動器的電荷，閥針升程可以被命令到適合的升程位置。然而，即使對于這個方法，仍然會存在從一個噴射事件到下一個噴射事件的燃料流的可變性，因為實際的閥針升程不能總是準(zhǔn)確地與被命令的升程相匹配。實際的閥針升程中的可變性會由多個因素造成，包括例如燃燒室壓力中的一個或者多個變化，燃料壓力的變化，燃料噴射閥內(nèi)部的不同的熱膨脹/收縮的影響，以及燃料噴射閥內(nèi)的部件的磨損。因此，即使對于使用允許升程控制的致動器的燃料噴射閥，仍然會存在造成實際升程中的可變性的因素，所述可變性仍然足夠大以造成噴射的燃料的總量的可變性。
在怠速和低負(fù)荷狀態(tài)下內(nèi)燃機的不穩(wěn)定會造成較高的內(nèi)燃機燃料消耗、廢氣排放、噪聲和振動。因此，需要這樣一種設(shè)備和方法，當(dāng)內(nèi)燃機怠速或者在低負(fù)荷狀態(tài)下時，在每個噴射事件過程中，所述設(shè)備和方法能夠提供控制噴射的燃料的總量的更穩(wěn)定的裝置，并且能夠改善這些狀態(tài)下的燃燒穩(wěn)定性。
對于燃燒氣態(tài)燃料的壓燃式內(nèi)燃機來說，有利的是使燃料噴射率的形狀形成為以初始的低的質(zhì)量流量開始噴射事件，之后是較高的質(zhì)量流量，直到燃料噴射事件結(jié)束。一個這樣的實例在共同擁有和共同待決的美國專利申請系列No.10/414,850中公開，名為“Internal Combustion Engine With Injection Of GaseousFuel”，該專利在此整體引為參考。它難以操作傳統(tǒng)的燃料噴射閥以提供階梯狀的流動特性，其中需要所述階梯狀的流動特性以實現(xiàn)這個結(jié)果。如果對于預(yù)先確定的閥針運動范圍提供基本恒定的質(zhì)量流量的燃料噴射閥能夠制造，從而這個恒定的質(zhì)量流量對應(yīng)于對于階梯狀的噴射事件的初始的低的質(zhì)量流量，那么對于從怠速到滿負(fù)荷的所有操作狀態(tài)，這種特征可以用于改善噴射穩(wěn)定性和內(nèi)燃機的性能。

發(fā)明內(nèi)容
公開了一種用于將燃料引入內(nèi)燃機中的燃料噴射閥。所述燃料噴射閥包括a.閥體，包括噴嘴，所述閥體限定了位于閥體內(nèi)的燃料腔；b.閥針，可在所述噴嘴內(nèi)在閉合位置和完全開啟位置之間移動，以允許燃料從燃料腔流動并且穿過所述噴嘴流動到內(nèi)燃機中，其中在所述閉合位置處，所述閥針緊靠與所述噴嘴相連的閥座落座，在完全開啟位置處，所述閥針與所述閥座間隔最遠(yuǎn)；和c.致動器，用于致動所述閥針，所述致動器可以操作以將所述閥針保持在落座位置和完全開啟位置之間的中間位置處，從而在噴射事件過程中以及從一個噴射事件到另一個噴射事件，閥針升程可以改變。也就是說，閥針升程可以變化，因為例如在單次噴射事件過程中，在不同的時刻，閥針可以被命令到不同的位置，并且如果需要的話，可以保持在不同的位置處。閥針升程同樣從一個噴射事件到另一個噴射事件可以變化，因為閥針升程相對于時間的曲線的形狀對于不同的噴射事件可以是不同的，例如對于內(nèi)燃機怠速狀態(tài)來說可以具有相對低的閥針升程和矩形的形狀，并且對于高負(fù)荷狀態(tài)可以具有階梯狀的形狀，其中第二級基本大于第一級。
當(dāng)所述閥針位于靠近閉合位置的第一中間位置和與所述第一中間位置間隔開的第二中間位置之間時，閥針和閥體的形狀被設(shè)計成配合地提供所述閥針和閥體之間的恒定的流動區(qū)域。所述恒定的流動區(qū)域限制穿過所述噴嘴的流動，從而質(zhì)量流量對于一定的閥針運動范圍基本恒定，其中所述運動范圍的邊界由所述第一和第二中間位置限定。
當(dāng)閥針位于第一和第二中間位置之間時，為了降低流量的可變性，恒定的流動區(qū)域優(yōu)選小于閥座之間的開口的流動區(qū)域，從而當(dāng)閥針位于第一和第二中間位置之間時，恒定的流動區(qū)域控制穿過燃料噴射閥的燃料質(zhì)量流量。
所述恒定的流動區(qū)域可以通過位于閥針和閥體之間的環(huán)形間隙提供，或者通過形成在閥體或者閥針中的槽提供。槽之間的突起部分可以用作對于閥針的導(dǎo)向件，以增加將閥針定位在閥座上的穩(wěn)定性。
在優(yōu)選實施例中，燃料噴射閥還包括應(yīng)變式致動器，用于直接致動閥元件。應(yīng)變式致動器可以包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器從包括壓電的、磁致伸縮的、和電致伸縮的轉(zhuǎn)換器的組中選擇。電子控制器可以被程序控制以向致動器發(fā)送指令信號，以使閥針在閉合位置和完全開啟位置之間移動，并且根據(jù)預(yù)先確定的波形移動到它們之間的位置。
燃料噴射閥還可以包括放大器，所述放大器設(shè)置在致動器和閥元件之間以放大由致動器產(chǎn)生的應(yīng)變，從而造成閥元件的較大的相對應(yīng)的運動。放大器可以是液壓位移放大器，或者它可以使用至少一個桿以機械地放大所述應(yīng)變。
在優(yōu)選實施例中，燃料以氣態(tài)被引入燃料腔中。燃料可以從包括下列物質(zhì)的組中選擇天然氣，甲烷，乙烷，液化石油氣，較輕的可燃的烴衍生物，氫氣以及它們的混合物。
閥針可以是向內(nèi)開啟的閥針，從而當(dāng)從閉合位置朝著開啟位置移動時，閥針可以沿著與燃料流動的方向相反的向內(nèi)的方向移動。在這個實施例中，噴嘴可以包括具有至少一個孔的閉合端，當(dāng)閥針與閥座間隔開時，燃料可以穿過所述孔被噴射。在優(yōu)選實施例中，噴嘴包括多個孔，當(dāng)所述閥針與所述閥座間隔開時，所述燃料可以穿過所述多個孔被噴射，并且所述多個孔的總的開口區(qū)域大于所述恒定的流動區(qū)域。當(dāng)所述閥針處于完全開啟位置時，所述多個孔的總的開口區(qū)域提供了對于流動穿過噴嘴的燃料的最小的限制，并且從而控制流動穿過所述燃料噴射閥的燃料的質(zhì)量流量。
在另一個實施例中，燃料噴射閥還可以包括與所述第二中間位置間隔開的第三中間位置，限定了位于第二和第三中間位置之間的第二閥針運動范圍的邊界。當(dāng)所述閥針位于第二和第三中間位置之間時，閥體和閥針的形狀被設(shè)計成配合地提供第二恒定的流動區(qū)域，所述第二恒定流動區(qū)域限制穿過所述噴嘴的流動，從而質(zhì)量流量基本恒定，但是高于當(dāng)所述閥針位于第一和第二中間位置之間時的質(zhì)量流量。
通過實例，示出和描述了用于將燃料直接噴射到內(nèi)燃機的燃燒室中的燃料噴射閥的優(yōu)選實施例。在不脫離本公開的實質(zhì)和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，對于燃料噴射閥的閥體和閥針的其它設(shè)置也是可行的。所公開的燃料噴射閥的范圍包括噴嘴和閥針，所述噴嘴和閥針的形狀設(shè)計成彼此配合，從而當(dāng)閥針位于靠近閉合位置的第一中間位置和與所述第一中間位置間隔開的第二中間位置之間時，當(dāng)燃料流動穿過噴嘴時，產(chǎn)生基本恒定的壓力下降，從而質(zhì)量流量對于一定的閥針運動范圍基本恒定，其中所述運動范圍的邊界由第一和第二中間位置限定。
提供一種用于調(diào)節(jié)穿過燃料噴射閥的噴嘴進入內(nèi)燃機中的燃料質(zhì)量流量的方法。所述方法包括致動閥針以控制閥針升程，在噴射事件過程中和從一個噴射事件到另一個噴射事件，所述閥針升程可以響應(yīng)于測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)而變化，所述操作狀態(tài)包括內(nèi)燃機的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速；
當(dāng)需要預(yù)先確定的恒定燃料質(zhì)量流量時，命令閥針移動到第一和第二預(yù)先確定的中間位置之間的位置，所述第一和第二中間位置位于閉合位置和完全開啟的位置之間，其中所述燃料噴射閥被設(shè)計成當(dāng)所述閥針位于第一和第二中間位置之間時，并且當(dāng)所述燃料的壓力恒定時，允許基本恒定的燃料質(zhì)量流量；和當(dāng)需要與所述預(yù)先確定的恒定的燃料質(zhì)量流量不同的燃料質(zhì)量流量時，命令所述閥針移動到位于所述閉合位置和完全開啟位置之間、但是不在所述第一和第二中間位置之間的位置。
優(yōu)選的是，所述方法還包括當(dāng)需要所述基本恒定的質(zhì)量流量時，命令所述閥針到位于第一和第二中間位置之間的中間點。因為在命令的閥針位置和實際的閥針位置之間會有某種可變性，因此命令所述閥針到運動范圍的中間點降低了這樣的可能性，即實際的閥針位置在由預(yù)先確定的第一和第二中間位置限定的運動范圍的外面的可能性。總之，這降低了輸送到燃燒室中的燃料質(zhì)量流量的可變性。
在所述方法的優(yōu)選實施例中，所述基本恒定的燃料質(zhì)量流量對應(yīng)于對于怠速或低負(fù)荷狀態(tài)的適合的燃料質(zhì)量流量。如上所述，在這些狀態(tài)下，內(nèi)燃機最容易受到燃料質(zhì)量流量的變化的影響，因為與內(nèi)燃機在較高負(fù)荷狀態(tài)下操作時相比，所需要的待噴射的燃料的總量已經(jīng)很小，并且燃料質(zhì)量流量中的即使小的變化也會對穩(wěn)定的內(nèi)燃機操作造成不利的影響，對內(nèi)燃機性能特性具有相對應(yīng)的不利影響，例如內(nèi)燃機的排放、噪聲和/效率。
在所述方法的一個優(yōu)選實施例中，當(dāng)所述閥針位于第一和第二中間位置之間時，利用恒定的流動區(qū)域提供所述噴嘴內(nèi)的流動限制可以調(diào)節(jié)所述基本恒定的燃料質(zhì)量流量。當(dāng)?shù)诙虚g位置對應(yīng)于比所述第一中間位置的閥針升程更大的閥針升程時，通過將所述閥針從第二中間位置朝著完全開啟的位置移動，所述燃料質(zhì)量流量可以基本并且逐漸地增加。
所述方法還可以包括當(dāng)需要第二基本恒定的質(zhì)量流量時，將所述閥針命令到位于所述第二中間位置和第三中間位置之間的位置，其中第二中間位置對應(yīng)于比第一中間位置的閥針升程更大的閥針升程，并且第三中間位置對應(yīng)于比第二中間位置的閥針升程更大的閥針升程。燃料噴射閥可以設(shè)計成具有流動限制，從而第一限制流動區(qū)域小于第二限制流動區(qū)域，當(dāng)所述閥針位于第二和第三中間位置之間時，所述第二限制流動區(qū)域基本恒定。在所述方法的這個實施例中，通過將所述閥針從第三中間位置朝著完全開啟的位置移動，燃料質(zhì)量流量可以基本地并且逐漸地增加。例如，當(dāng)內(nèi)燃機怠速時，可以選擇第一恒定的質(zhì)量流量，并且當(dāng)內(nèi)燃機在預(yù)先確定的低負(fù)荷狀態(tài)下操作時，可以選擇第二恒定的質(zhì)量流量。
所述方法優(yōu)選包括將燃料從噴嘴直接噴射到內(nèi)燃機的燃燒室中。通過將燃料直接噴射到燃燒室中，內(nèi)燃機可以保持燃燒柴油燃料的等效內(nèi)燃機的壓縮比和效率。如果燃料被噴射到進氣閥的上游的近氣系統(tǒng)中，為了避免燃料的過早的爆燃，必須限制噴射的燃料的總量和/或降低內(nèi)燃機的壓縮比。
本發(fā)明特別適用于當(dāng)流動穿過噴嘴時處于氣態(tài)的燃料。因此，所述方法還可以包括將處于氣態(tài)的燃料引入噴嘴中。例如，燃料可以從包括下列物質(zhì)的組中選擇天然氣，甲烷，乙烷，液化石油氣，較輕的可燃的烴衍生物，氫氣以及它們的混合物。
所述方法的一個優(yōu)選實施例還包括利用應(yīng)變式致動器直接致動閥針，所述致動器可以被啟動以產(chǎn)生閥針的相對應(yīng)的運動。應(yīng)變式致動器通常適用于實現(xiàn)所公開的方法，因為它們可以被控制以命令所述閥針移動到閉合位置和完全開啟位置之間的任何中間位置處并且保持在其處。應(yīng)變式致動器優(yōu)選包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器從包括壓電的、磁致伸縮的和電致伸縮的轉(zhuǎn)換器的組中選擇。
所述方法還可以包括同樣控制噴射脈沖寬度以協(xié)助控制在噴射事件過程中噴射的燃料的總量，從而脈沖寬度從一個噴射事件到另一個噴射事件可以響應(yīng)于預(yù)先確定的測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)而變化。然而，單獨控制脈沖寬度對于調(diào)節(jié)噴射的燃料的質(zhì)量總量并不是適合的策略，脈沖寬度控制可以與所公開的方法結(jié)合以提供更大的靈活性，從而適合的質(zhì)量總量的燃料可以被引入燃燒室中，如根據(jù)測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)并且參考內(nèi)燃機特性曲面圖所確定的那樣。例如，一些內(nèi)燃機操作狀態(tài)可以包括內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和內(nèi)燃機負(fù)荷。還可以監(jiān)測其它操作狀態(tài)，并且電子控制裝置可以被程序控制以確定是否需要做出任何調(diào)節(jié)以修整其它變量，例如燃料溫度；進氣壓力，燃料噴射壓力以及缸內(nèi)壓力。
類似的是，所述方法還可以包括控制噴射壓力以協(xié)助控制在噴射事件過程中噴射的燃料的總量，從而燃料噴射壓力從一個噴射事件到另一個噴射事件可以響應(yīng)于預(yù)先確定的測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)而變化。
一種通過控制閥針位置調(diào)節(jié)穿過燃料噴射閥的噴嘴進入內(nèi)燃機中的燃料質(zhì)量流量的方法，所述方法包括通過將閥針從閉合位置移動到第一中間位置，將燃料質(zhì)量流量從零增加到第一值，在所述閉合位置處，閥針被迫使緊靠閥座；當(dāng)所述閥針位于第一中間位置和第二中間位置之間時，使燃料質(zhì)量流量在所述第一值周圍基本保持恒定，所述第二中間位置與所述第一中間位置間隔開；通過將所述閥針從所述第二中間位置朝著完全開啟的位置移動，逐漸增加燃料質(zhì)量流量超過所述第一值；
通過將閥針移動到完全開啟位置，將燃料質(zhì)量流量增加到最大值；和致動所述閥針以響應(yīng)于測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)控制閥針升程，所述操作狀態(tài)包括內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，其中所述閥針位置在噴射事件過程中以及從一個噴射事件到另一個噴射事件可以變化。
在一個優(yōu)選的方法中，第一值是當(dāng)所述內(nèi)燃機在怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)下操作時被命令的燃料質(zhì)量流量。
所述優(yōu)選的方法還可以包括命令所述閥針根據(jù)階梯狀的波形移動，所述波形在第一階段過程中具有相對低的質(zhì)量流量，并且在第二階段過程中具有較高的質(zhì)量流量，并且其中所述第一值是命令用于所述第一階段的燃料質(zhì)量流量。
所述方法優(yōu)選包括通過致動應(yīng)變式致動器來移動閥針，所述致動器可以被命令以產(chǎn)生線性位移，所述線性位移被傳遞給閥針。利用這種致動器，位移相對時間的圖形可以跟隨任何命令的形狀，并且對于每個噴射事件不需要是相同的形狀。例如，對于怠速狀態(tài)，可以命令具有基本矩形形狀的小的位移。對于較高的負(fù)荷，可以使用階梯狀的形狀，其中相對低的初始位移之后跟隨較高的致動器位移。


附圖示出了本發(fā)明的具體實施例，但是不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是以任何方式限定本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
圖1是直接致動的燃料噴射閥的示意圖，所述噴射閥可操作以對于預(yù)先確定的閥針運動范圍噴射基本恒定量的燃料。
圖2A到2C示出了例如可以由圖1的燃料噴射閥使用的閥門噴嘴和閥針末端的示意性橫截面視圖。圖2A示出了處于閉合位置的閥針。圖2B示出了閥針處于提供恒定流動區(qū)域的范圍中，從而對于一定的閥針運動范圍產(chǎn)生基本恒定的流量。圖2C示出了提升超出恒定流動區(qū)域的范圍之外的閥針。圖2A到2C示出了這樣的特征的一個實施例，所述特征可以用于使燃料噴射閥可操作以對于預(yù)先確定的閥針運動范圍噴射基本恒定量的燃料。
圖2D和2E示出了穿過圖2A中標(biāo)示為D/E的截面線的剖視圖。圖2D示出了簡單的同心的圓形設(shè)置，所述圓形設(shè)置限定了閥針和閥體之間的環(huán)形的恒定的流動區(qū)域。圖2E提供了另一個實施例的實例，其中恒定的流動區(qū)域通過多個形成在閥體中的槽提供。
圖3是噴嘴的示意性橫截面視圖，所述噴嘴包括用于為向內(nèi)開啟的閥針提供兩個不同的運動范圍的特征，其中每個運動范圍提供相應(yīng)的基本恒定的流量，所述基本恒定的流量被每個范圍內(nèi)提供的恒定的流動區(qū)域限定。
圖4A到4C示出了用于向外開啟的閥針的閥門噴嘴的一個實施例的示意性剖視圖。圖4A示出了處于閉合位置的閥針。圖4B示出了閥針，所述閥針位于提供恒定流動區(qū)域的范圍中，從而為一定的閥針運動范圍產(chǎn)生基本恒定的流量。圖4C示出了提升超出恒定流動區(qū)域的范圍外的閥針。
圖5是向外開啟的閥針以及閥門噴嘴的示意性橫截面視圖，所述閥針和閥門噴嘴彼此配合以提供兩個閥針位置范圍，所述兩個范圍均提供基本恒定的流動區(qū)域，從而當(dāng)閥針位于這些范圍內(nèi)的任何位置時，燃料質(zhì)量流量基本恒定。
圖6是穿過燃料噴射閥噴嘴的質(zhì)量流量相對于閥針升程的曲線。其中示出了兩個實施例，一個具有單個運動范圍，所述運動范圍產(chǎn)生基本恒定的質(zhì)量流量，并且第二實施例具有兩個運動范圍，所述兩個運動范圍產(chǎn)生相應(yīng)的基本恒定的質(zhì)量流量。這些實施例與對于傳統(tǒng)的燃料噴射閥的流動特性的曲線進行比較。
圖7是穿過燃料噴射閥的被命令的質(zhì)量流量的圖形。示出了多個被命令的形狀，它們可以從穩(wěn)定性受益，所述穩(wěn)定性可以通過使用所公開的噴嘴和閥針特征而實現(xiàn)，從而提高穿過燃料噴射閥的流動特性。
具體實施例方式
示意圖沒有按比例繪制，并且某些特征會被放大以更好地示出它們的功能。
圖1是燃料噴射閥100的示意性橫截面視圖，其可以用于將燃料引入內(nèi)燃機中。閥體102容納閥針110、致動器120和傳動組件130。閥體102還限定了燃料腔104，燃料腔104包括燃料通道，燃料通道從聯(lián)結(jié)件106和燃料入口108延伸穿過到達(dá)閥座112。閥針110可以在噴嘴114內(nèi)在閉合位置和完全開啟的位置之間移動，其中在閉合位置處，閥針110緊靠閥座112落座，在開啟位置處，閥針110與閥座112間隔最遠(yuǎn)。當(dāng)閥針110與閥座112相間隔時，燃料可以從燃料腔104穿過噴嘴114流動到內(nèi)燃機中。在圖1所示的實例中，燃料穿過孔116離開噴嘴114。在朝外開啟的閥針的情況中(例如見圖4和圖5)，燃料可以直接穿過閥針和閥座之間的開口離開噴嘴。
所公開的用于影響穿過燃料噴射閥的流動特性的特征與用于造成閥針運動的致動器的類型無關(guān)。任何這樣的致動器可以從所公開的設(shè)置獲益，所述致動器可以被控制以影響閥針致動的速度和/或控制在閉合位置和完全開啟位置之間的閥針位置。例如，電磁致動的燃料噴射閥可以使用所公開的特征，因為對于電磁閥的開啟率可以通過控制力上升的速度而被控制到一個確定的程度。也就是說，利用電磁致動器，在燃料噴射事件的開始的過程中，閥針運動的速度可以被保持為低速，延長在燃料噴射事件的后面部分的過程中在燃料質(zhì)量流量增加之前燃料以恒定的相對低的燃料質(zhì)量流量被引入的時間。
在優(yōu)選實施例中，噴射閥100包括應(yīng)變式致動器，用于直接致動閥針110并且提供有利于控制閥針運動的優(yōu)點。直接致動的燃料噴射閥此處定義為這樣的噴射閥，其使用可以被啟動以產(chǎn)生機械運動的致動器，所述機械運動直接對應(yīng)于閥針的運動。在這種直接致動的燃料噴射閥中，從致動器產(chǎn)生的機械運動可以被一個或者多個機械桿或者液壓放大裝置所放大，但是致動器的運動總是與閥針的相對應(yīng)的運動相關(guān)聯(lián)。在圖1所示的實例中，傳動組件130從致動器120向閥針110傳遞運動。傳動組件130包括液壓位移放大器機構(gòu)，所述放大器機構(gòu)使得從致動器120產(chǎn)生的機械運動放大。在這個實例中，閥針110的致動的發(fā)生如下所述。致動器120可以被啟動以產(chǎn)生沿著軸向方向的機械運動，以使底部108和柱塞124朝著噴嘴114移動。柱塞124移動放大腔室132內(nèi)的液壓流體。在噴射事件的短的時段中，放大腔室132內(nèi)的液壓流體的體積保持基本恒定。因為液壓流體基本不可壓縮，因此為了容納被柱塞124移動的流體，閥針110沿著相反的方向移動，遠(yuǎn)離閥座112，因此開啟所述閥110并且開始燃料噴射事件。放大的總量由都設(shè)置在放大腔室132中的柱塞124和閥針110的臺肩的相對的端部區(qū)域預(yù)先決定。也就是說，柱塞的端部區(qū)域和閥針的臺肩區(qū)域之間的比例越大，閥針行程的放大也就越大。
致動120可以被命令以在噴射事件過程中改變應(yīng)變的總量，從而將閥針110移動到不同的開啟位置，或者將應(yīng)變減小為零從而結(jié)束噴射事件。
彈簧126將閥針110偏壓到閉合位置，并且有助于確保在致動器120、傳動組件130和閥針110之間沒有形成空間間隙。
在圖示的實例中，傳動組件130還包括液壓流體儲存器134。與燃料噴射事件的時間間隔相比，在噴射事件之間具有長很多的時間段，并且當(dāng)內(nèi)燃機不運行時，具有足夠的時間以允許一些流體在儲存器134和放大腔室132之間流動穿過位于柱塞124、閥針110、閥體102和管道136和138的相鄰表面之間的小的間隙。儲存器134和放大腔室132之間的這種流動可以補償部件之間的液壓流體的泄漏和小的尺寸變化，泄漏和尺寸變化例如會由于不同的溫度膨脹/收縮和磨損而造成。
密封件137和139密封防止液壓流體泄漏到燃料腔104中，當(dāng)閥100用于噴射氣體燃料時這是必需的。如果燃料是液體燃料，并且它方便地用作液壓流體時，密封件139不是必需的。
應(yīng)變式致動器通?？煽刂埔援a(chǎn)生在零和可由給定的致動器產(chǎn)生的應(yīng)變的最大總量之間的任何大小的應(yīng)變。也就是說，應(yīng)變式致動器可以被命令以將閥針110移動到中間位置，在中間位置處，它可以被保持適合長度的時間?？刂破骺梢员怀绦蚩刂埔悦钪聞悠鞲淖儜?yīng)變的總量，從而閥針110從中間位置移動到另一個開啟位置或者閉合位置。這允許閥針110的運動被命令以跟隨預(yù)先確定的波形，這提供了更大的靈活性以控制在噴射事件過程中的燃料質(zhì)量流量，并且這種靈活性可以用于改善燃燒特性，從而提高性能或效率，和/或降低不適合的燃燒產(chǎn)物的廢氣排放，例如微粒物質(zhì)或者氮或者碳的氧化物，和/或降低內(nèi)燃機的噪聲。
通過實例，致動器120在圖1中示意性地示為堆疊的壓電元件，用于提供閥針110的應(yīng)變式致動。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，其它的應(yīng)變式致動器，例如電致伸縮或者磁致伸縮致動器，可以用于實現(xiàn)相同的結(jié)果。
雖然應(yīng)變式致動器可以被命令以產(chǎn)生適合的應(yīng)變，但還有各種影響，例如溫度、磨損、燃料溫度、進氣歧管壓力和燃燒室壓力，它們可以從一個噴射事件到另一個噴射事件對閥針位置施加不同的影響。因此，即使致動器被命令以產(chǎn)生特定的應(yīng)變，所述應(yīng)變通常對應(yīng)于適合的閥針位置，但是實際的閥針位置仍然會不同，并且實際位置和適合的位置之間的差異會足以顯著以降低燃燒效率，特別是當(dāng)內(nèi)燃機怠速或者處于低負(fù)荷狀態(tài)中時。
圖2到圖5所示的特征示出了閥針和閥體的實施例，所述閥針和閥體的形狀被設(shè)計成當(dāng)閥針位于一定的運動范圍內(nèi)時，并且當(dāng)配合表面保持彼此相對時，配合地提供閥針和閥體之間的恒定的流動區(qū)域。這個恒定的流動區(qū)域限制了穿過噴嘴的流動，從而燃料質(zhì)量流量基本恒定。通過命令閥針到這個范圍的中間點附近的位置，使得燃料質(zhì)量流量對于閥針位置的小的變化基本不敏感。所有示出的實施例以相同的原理操作，并且對于怠速和低負(fù)荷狀態(tài)，以及當(dāng)階梯狀的噴射曲線被命令時較高負(fù)荷的狀態(tài)，所述實施例均可以有利地用于降低命令的燃料質(zhì)量流量和實際燃料質(zhì)量流量之間的可變性。
下面參考圖2A到圖2C所示的實施例，其中示意性示出了閥針和噴嘴設(shè)置。這個設(shè)置例如可以與圖1的燃料噴射閥一起使用。因此，圖1中使用的相同的附圖標(biāo)記用于指示圖2A到圖2C中類似的特征。僅示出了噴嘴114的末端部分，其中閥體102限定了圍繞閥針110的燃料腔104的一部分。圖2A到圖2C均示出了相同的實施例，但是每個附圖示出了處于不同位置的閥針110。
在圖2A中，閥針110示為處于閉合位置，緊靠閥座112落座，從而燃料不能流動穿過孔116。為了開始燃料噴射事件，閥針110可以沿著箭頭150的方向移動。例如圖1到圖3所示的閥針可以移動遠(yuǎn)離閥座，并且沿著與燃料流動方向相反的方向，公知為向內(nèi)開啟的閥針。在圖2B中，閥針110已經(jīng)被提升離開閥座112到達(dá)開啟位置。在圖2B中，閥針110的豎直側(cè)面的一部分與臺肩103提供的閥體102的豎直壁相對。平行的和相對的豎直表面提供了位于它們之間的流動限制間隙，以d1表示。這個間隙的尺寸被設(shè)計成提供這樣的流動區(qū)域，該流動區(qū)域?qū)τ谝欢ǖ拈y針運動范圍把穿過噴嘴114的燃料流動限制到基本恒定的燃料質(zhì)量流量，只要閥針110的豎直側(cè)面的一部分與臺肩103提供的豎直壁相對。也就是說，因為形成間隙的配合的豎直表面彼此平行，因此間隙的尺寸對于一定的閥針運動范圍保持恒定。在圖2C中，閥針110已經(jīng)被提升超出閥針110和臺肩103的豎直表面彼此相對的點。過了這個點，當(dāng)閥針110進一步移動遠(yuǎn)離閥座112時，閥針110和閥體102之間的流動區(qū)域增加。閥針110可以從圖2C中的位置進一步被提升，直到它到達(dá)完全開啟的位置。利用例如圖2C所示的噴嘴設(shè)置，最大的燃料質(zhì)量流量可以被孔116提供的開口區(qū)域的限制所限制。如果是這種情況，將閥針提升到超出燃料流動被孔所阻塞的點，不會造成燃料質(zhì)量流量的進一步增加。
下面參考圖2D和2E，其中示出了穿過圖2A中標(biāo)示的D/E截斷線的橫截面視圖的兩個不同的實施例。圖2D和2E示出了恒定流動區(qū)域可以制成不同的形狀，而沒有脫離本公開的實質(zhì)。圖2D示出了一個簡單的同心的圓形設(shè)置，其限定了閥針110和閥體201之間的恒定的流動區(qū)域。在圖2E中，恒定的流動區(qū)域由形成在閥體102中的多個槽提供。通過實例，所述槽示為具有底部，所述底部由與閥體110的相對的壁同心的直徑限定，并且臺肩103提供了所述槽之間的突起表面。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，所述槽以及槽之間的突起表面可以采用不同的形狀，同時不脫離本公開的范圍。雖然圖2D和2E是參考圖2A的實施例來介紹的，但是對于恒定流動區(qū)域的形狀的這些實施例可以應(yīng)用到此處公開的所有實施例。對于一些實施例，槽可以形成在閥針表面中，而不是閥體表面中。
圖3示出了具有向內(nèi)開啟的閥針的噴嘴的另一個實施例。閥體302和閥針310限定了燃料腔304的所示部分。閥針310處于閉合位置，其中它被迫使與閥座312流體密封接觸。當(dāng)閥針310沿著箭頭350的方向被提升離開閥座312時，孔316提供了用于燃料離開閥體的出口。這個實施例與圖2A到2C的實施例之間的區(qū)別在于閥體302設(shè)置有兩個臺肩區(qū)域303和303A，兩個臺肩區(qū)域均提供與閥針310的豎直表面平行的豎直表面。圖3中的臺肩303與圖2A到2C中的臺肩103類似。臺肩303A提供了第二平行表面區(qū)域，當(dāng)閥針310的豎直表面與所述第二平行表面區(qū)域相對時，第二平行表面區(qū)域提供了較大的恒定流動區(qū)域。因此，圖3的噴嘴設(shè)置可以提供兩個閥針運動范圍，其中在所述兩個運動范圍中，燃料質(zhì)量流量可以基本恒定。當(dāng)閥針310的豎直表面與臺肩303的豎直表面相對時，提供較低的基本恒定的燃料質(zhì)量流量，并且當(dāng)閥針310的豎直表面與臺肩303A的豎直表面相對時，提供較大的基本恒定的燃料質(zhì)量流量。
圖4A到4C示出了閥體和閥針設(shè)置的又另一個實施例，該實施例對于預(yù)先確定的閥針運動范圍提供了基本恒定的燃料質(zhì)量流量。在圖4A中，閥針410示為處于閉合位置，緊靠閥座412落座，從而燃料不能流動穿過噴嘴414。為了開始燃料噴射事件，閥針410可沿著箭頭450的方向移動。例如圖4和圖5所示的閥針公知為向外開啟的閥針，圖4和圖5所示的閥針可以移動離開閥座并且是沿著與燃料流動的方向平行的方向，并且使用向外開啟的閥針的燃料噴射閥有時稱為菌形閥。在圖4B中，閥針410已經(jīng)被提升離開閥座412到閥針運動范圍內(nèi)的一個開啟位置，在該位置處，可以噴射基本恒定的燃料質(zhì)量流量。在圖4B中，臺肩403提供的閥針410的豎直側(cè)面的一部分與閥體402的豎直壁相對。平行和相對的豎直表面提供了位于它們之間的間隙，用d1表示。與其它實施例類似，這個間隙的尺寸被設(shè)計成提供這樣的流動區(qū)域，該流動區(qū)域?qū)τ谝欢ǖ拈y針運動范圍把穿過噴嘴414的燃料流動限制到基本恒定的燃料質(zhì)量流量，只要閥針410的豎直側(cè)面的一部分與閥體402提供的豎直壁相對。在圖4C中，閥針410已經(jīng)被提升超過臺肩403和閥體402的豎直表面彼此相對的點。過了這個點，隨著閥針410進一步移動遠(yuǎn)離閥座412，閥針410和閥體402之間的流動區(qū)域增加。從圖4C中的位置，閥針410可以沿著箭頭450的方向進一步被提升，直到它到達(dá)完全開啟的位置。
圖5示出了具有向外開啟的閥針的噴嘴設(shè)置的另一個實施例。閥體502和閥針510限定燃料腔504的所示部分。閥針510處于開啟位置，在所述開啟位置處，它已經(jīng)從閉合位置沿著箭頭550的方向被提升。這個實施例與圖4A到4C的實施例之間的區(qū)別在于閥針510設(shè)置有兩個臺肩區(qū)域503和503A，所述兩個臺肩區(qū)域均提供與穿過閥體502的開口的豎直表面平行的豎直表面。圖5中的臺肩503類似于圖4A到圖4C中的臺肩403。臺肩503A提供了第二平行表面區(qū)域，當(dāng)穿過閥體502的開口的豎直表面與所述第二平行表面區(qū)域相對時，第二平行表面區(qū)域提供較大的恒定流動區(qū)域。因此，圖5的噴嘴設(shè)置可以提供兩個閥針運動范圍，其中在所述兩個運動范圍中，燃料質(zhì)量流量可以基本恒定。當(dāng)臺肩503的豎直表面與穿過閥體502的開口的豎直表面相對時，提供較低的基本恒定的燃料質(zhì)量流量，并且當(dāng)臺肩503A的豎直表面與穿過閥體502的開口的豎直表面相對時，提供較大的基本恒定的燃料質(zhì)量流量。在圖示的實例中，對于兩個閥針運動范圍的恒定流動區(qū)域中的差異至少部分由尺寸d1和d2的差異所限定。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不脫離本公開的實質(zhì)和范圍的情況下，其它實施例可以獲得相同的結(jié)果。例如，在不增加間隙尺寸的情況下，通過使例如圖2E所示的槽加寬，流動區(qū)域可以增加，從而增加對于第二閥針運動范圍的恒定流動區(qū)域。
圖6是燃料質(zhì)量流量Q相對于閥針升程L的圖形。線條600示出的曲線代表了傳統(tǒng)的燃料噴射閥。如曲線600所示，對于傳統(tǒng)的燃料噴射閥，閥針升程的增加使得燃料質(zhì)量流量逐漸增加，直到到達(dá)最大燃料質(zhì)量流量Qc，例如，當(dāng)流動被噴嘴孔提供的限制所阻塞時，或者被燃料噴射閥中其它位置提供的另一個限制所阻塞時。當(dāng)曲線接近阻塞流動率時，曲線600的斜度變緩，因此當(dāng)閥針被命令到完全開啟位置附近時，升程的小的變化不會顯著影響燃料質(zhì)量流量。
對于控制閥針升程以控制燃料質(zhì)量流量的燃料噴射閥來說，利用傳統(tǒng)的燃料噴射閥，如果Qa代表對于怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)的適合的燃料質(zhì)量流量，那么閥針被命令提升距離L1，從而提供適合的流動率。由于升程L1附近的曲線600的陡峭的斜度，因此即使從位置L1的小的偏離也會導(dǎo)致實際燃料質(zhì)量流量的顯著變化。
實線610示出的曲線代表了使用本公開的特征的燃料噴射閥。例如在怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)，閥針可以被命令到L1和L2之間的中間點處的位置。因為對于相同的閥針運動范圍，L1和L2之間的曲線610的斜度比曲線600的斜度平緩很多，因此曲線610的燃料噴射閥的操作具有提高的穩(wěn)定性，從而提高內(nèi)燃機性能、效率和/或降低有害的燃燒產(chǎn)物的排放，例如顆粒物質(zhì)和氮或者碳的氧化物，和/或降低內(nèi)燃機噪聲。圖2和圖4所示的實施例示出了燃料噴射閥的實例，其可以提供一個閥針運動范圍，在該范圍中，燃料可以以基本恒定的燃料質(zhì)量流量被噴射。L1和L2之間的運動范圍代表了這樣的閥針運動范圍，該范圍對應(yīng)于當(dāng)閥針和閥體的平行的豎直表面彼此配合以限定尺寸為d1的間隙。當(dāng)閥針進一步移動遠(yuǎn)離閥座并且超出這個范圍時，燃料質(zhì)量流量沿著較為陡峭的斜度逐漸增加，直到達(dá)到最大燃料質(zhì)量流量。
虛線620繪制出了例如圖3和圖5所示的燃料噴射閥的流動特性。這些燃料噴射閥提供了兩個閥針運動范圍，其中在所述兩個運動范圍中，燃料質(zhì)量流量基本恒定。L3和L4之間的運動范圍代表了這樣的閥針運動范圍，該范圍對應(yīng)于當(dāng)閥針和閥體的平行的豎直表面彼此配合以限定尺寸為d2的間隙。當(dāng)閥針被提升到L3和L4之間的位置時，因為曲線620的斜度相對平緩，因此幾乎沒有從命令的燃料質(zhì)量流量Qb發(fā)生變化。
圖7是對于單個燃料噴射事件的命令的質(zhì)量流量相對于穿過燃料噴射閥的時間的多個實施例的圖形。每個所示的命令的形狀可以從穩(wěn)定性受益，所述穩(wěn)定性可以通過使用所公開的噴嘴和閥針特征而實現(xiàn)，從而提高穿過燃料噴射閥的流動特性。在這個圖示中，Qc再次代表最大燃料質(zhì)量流量。曲線710對應(yīng)于相對小的燃料質(zhì)量流量Qa，例如可以被命令用于怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)的質(zhì)量流量。優(yōu)點已經(jīng)被描述為能夠在怠速和低負(fù)荷狀態(tài)下從循環(huán)到循環(huán)降低被引入內(nèi)燃機中的燃料的總量的可變性。同樣適合的是以階梯狀的波形將燃料直接引入內(nèi)燃機的燃燒室中，其中開始，較少的燃料質(zhì)量流量被噴射，例如圖7中Qa或者Qb所示，接下來是較高的燃料質(zhì)量流量，如曲線730所示。具有兩個提供基本恒定的燃料質(zhì)量流量的閥針運動范圍的燃料噴射閥可以使用控制器，所述控制器被程序控制以使用例如曲線710所示的波形用于怠速狀態(tài)，并且使用曲線720的波形用于輕的負(fù)荷的狀態(tài)，或者在階梯狀的波形中，以曲線710開始直到t2，并且然后在t2之后是曲線720，或者在t2之后對于較高的負(fù)荷狀態(tài)可以選擇曲線730。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，其它的組合也是可行的，例如以曲線720開始直到t2，之后是曲線730，從而噴射甚至更多的燃料進入內(nèi)燃機中。在一些操作狀態(tài)中，同樣有利的是當(dāng)閥針從開啟位置移動到閉合位置時，提供向下的躍變。具有所述公開特征的燃料噴射閥的優(yōu)點在于在用于控制閥針運動的波形中的預(yù)定的階段，可以選擇恒定的流動區(qū)域以提供更穩(wěn)定的燃料質(zhì)量流量，降低當(dāng)內(nèi)燃機操作時循環(huán)到循環(huán)的可變性。
所公開的燃料噴射閥開發(fā)用于氣體燃料，但是相同的特征對于噴射液體燃料的燃料噴射閥也是有利的。然而，對于液體燃料，存在必須考慮的另外的考慮，例如空穴現(xiàn)象(cativation)以及保持適合的壓力用于燃料的霧化。當(dāng)突然的壓力下降使燃料壓力降至低于氣化壓力并且一些燃料在燃料從噴射閥排出之前就被氣化時，空穴現(xiàn)象發(fā)生。與空穴現(xiàn)象和霧化有關(guān)的問題例如可以通過使用一個或者多個下列策略而避免(i)將燃料以這樣的初始壓力引入燃料噴射閥，該初始壓力足夠高以確保燃料壓力保持高于氣化壓力，并且在被限制的流動區(qū)域之后適當(dāng)?shù)馗咭援?dāng)燃料離開燃料噴射閥時使燃料霧化；(ii)將限制的流動區(qū)域的尺寸設(shè)計成限制壓力下降，從而燃料壓力沒有被降低到低于當(dāng)離開燃料噴射閥時使燃料霧化所需要的氣化壓力或者最小壓力；(iii)提供進入限制流動區(qū)域的平滑入口，從而降低會造成低壓區(qū)域的湍流；和(iv)利用這樣的材料制造噴嘴和閥針，該材料將不會被暴露到與空穴現(xiàn)象相關(guān)的狀態(tài)而被破壞。對于液體燃料，可以使用所公開的特征，并且實現(xiàn)許多對于氣體燃料可以實現(xiàn)的相同的優(yōu)點。例如，通過降低噴射的燃料總量的可變性，在怠速和低負(fù)荷狀態(tài)下，可以實現(xiàn)更穩(wěn)定的性能并且降低內(nèi)燃機的噪聲。
雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的特定的元件、實施例和應(yīng)用，但是當(dāng)然應(yīng)當(dāng)認(rèn)為，本發(fā)明不限于此，因為在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，特別是在前面的教導(dǎo)的啟發(fā)下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以做出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于將燃料引入內(nèi)燃機中的燃料噴射閥，所述燃料噴射閥包括a.閥體，包括噴嘴和由所述閥體限定的燃料腔；b.閥針，可在所述噴嘴內(nèi)在閉合位置和完全開啟位置之間移動，以允許所述燃料從所述燃料腔流動并且穿過所述噴嘴流動到所述內(nèi)燃機中，其中在所述閉合位置處，所述閥針緊靠與所述噴嘴相連的閥座落座，在完全開啟位置處，所述閥針與所述閥座間隔最遠(yuǎn)；和c.致動器，用于致動所述閥針，所述致動器可以操作以將所述閥針保持在所述落座位置和完全開啟位置之間的中間位置處，從而在噴射事件過程中以及從一個噴射事件到另一個噴射事件，閥針升程可以改變；和其中，當(dāng)所述閥針位于靠近所述閉合位置的第一中間位置和與所述第一中間位置間隔開的第二中間位置之間時，所述閥針和所述閥體的形狀被設(shè)計成配合地提供所述閥針和所述閥體之間的恒定的流動區(qū)域，并且其中所述恒定的流動區(qū)域限制穿過所述噴嘴的流動，從而質(zhì)量流量對于一定的閥針運動范圍基本恒定，其中所述運動范圍的邊界由所述第一和第二中間位置限定。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射閥，其特征在于，當(dāng)所述閥針位于所述第一和第二中間位置之間時，所述恒定的流動區(qū)域小于所述閥座和所述閥針之間的開口的流動區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述恒定的流動區(qū)域是所述閥針和所述閥體之間的環(huán)形間隙。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述致動器是用于直接致動所述閥針的應(yīng)變式致動器。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述應(yīng)變式致動器包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器從包括壓電的、磁致伸縮的、和電致伸縮的轉(zhuǎn)換器的組中選擇。
6.如權(quán)利要求4所述的燃料噴射閥，其特征在于，還包括電子控制器，所述控制器可以程序控制以向所述致動器發(fā)送指令信號，從而使所述閥針在所述閉合位置和所述完全開啟位置之間移動，并且根據(jù)預(yù)先確定的波形移動到它們之間的位置。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料噴射閥，其特征在于，還包括放大器，所述放大器設(shè)置在所述致動器和所述閥元件之間，用于放大由致動器產(chǎn)生的應(yīng)變以造成所述閥元件的較大的相對應(yīng)的運動。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述放大器是液壓位移放大器。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述放大器使用至少一個桿。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述燃料以氣體狀態(tài)被引入所述燃料腔中。
11.如權(quán)利要求10所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述燃料從包括下列物質(zhì)的組中選擇天然氣，甲烷，乙烷，液化石油氣，較輕的可燃的烴衍生物，氫氣以及它們的混合物。
12.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述閥針是向內(nèi)開啟的閥針，從而當(dāng)從所述閉合位置朝著所述開啟位置移動時，所述閥針可以沿著與燃料流動的方向相反的向內(nèi)的方向移動。
13.如權(quán)利要求12所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述噴嘴包括具有至少一個孔的閉合端，當(dāng)所述閥針與所述閥座間隔開時，所述燃料可以穿過所述孔被噴射。
14.如權(quán)利要求12所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述噴嘴包括具有多個孔的閉合端，當(dāng)所述閥針與所述閥座間隔開時，所述燃料可以穿過所述多個孔被噴射，并且所述多個孔的總的開口區(qū)域大于所述恒定的流動區(qū)域。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料噴射閥，其特征在于，當(dāng)所述閥針處于所述完全開啟位置時，所述多個孔的總的開口區(qū)域提供了最小的限制，并且從而控制流動穿過所述燃料噴射閥的燃料的質(zhì)量流量。
16.如權(quán)利要求1所述的燃料噴射閥，其特征在于，與所述第二中間位置間隔開的第三中間位置限定了位于所述第二和第三中間位置之間的第二閥針運動范圍的邊界，并且當(dāng)所述閥針位于所述第二和第三中間位置之間時，所述閥體和所述閥針的形狀被設(shè)計成配合地提供恒定的流動區(qū)域，所述流動區(qū)域限制穿過所述噴嘴的流動，從而質(zhì)量流量基本恒定，但是高于當(dāng)所述閥針位于所述第一和第二中間位置之間時的質(zhì)量流量。
17.一種用于將燃料直接噴射到內(nèi)燃機的燃燒室中的燃料噴射閥，所述燃料噴射閥包括a.閥體，包括具有出口的噴嘴和由所述閥體限定的燃料腔，其可以設(shè)置在所述燃燒室內(nèi)；b.閥針，可在所述噴嘴內(nèi)在閉合位置和完全開啟位置之間移動，以允許所述燃料從所述燃料腔流動并且穿過所述噴嘴出口進入所述燃燒室中，在所述閉合位置處，所述閥針緊靠與所述噴嘴相連的閥座落座，在所述開啟位置處，所述閥針與所述閥座間隔最遠(yuǎn)；和c.應(yīng)變式致動器，用于致動所述閥針，所述致動器可操作以將所述閥針保持在所述落座位置和完全開啟位置之間的中間位置處，從而在噴射事件過程中和從一個噴射事件到另一個噴射事件，閥針升程可變；和其中，當(dāng)所述閥針位于靠近所述閉合位置的第一中間位置和與所述第一中間位置間隔開的第二中間位置之間時，所述閥針和所述閥體的形狀被設(shè)計成當(dāng)所述燃料流動穿過所述噴嘴時配合地提供基本恒定的壓力下降，從而質(zhì)量流量對于一定的閥針運動范圍基本恒定，所述運動范圍的邊界由所述第一和第二中間位置限定。
18.如權(quán)利要求17所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述應(yīng)變式致動器包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器從包括壓電的、磁致伸縮的、和電致伸縮的轉(zhuǎn)換器的組中選擇。
19.如權(quán)利要求17所述的燃料噴射閥，其特征在于，還包括電子控制器，所述控制器可以程序控制以向所述致動器發(fā)送指令信號，從而使所述閥針在所述閉合位置和所述完全開啟位置之間移動，并且根據(jù)預(yù)先確定的波形移動到它們之間的位置。
20.如權(quán)利要求17所述的燃料噴射閥，其特征在于，還包括放大器，所述放大器設(shè)置在所述致動器和所述閥元件之間，用于放大由致動器產(chǎn)生的應(yīng)變，以造成所述閥元件的較大的相對應(yīng)的運動。
21.如權(quán)利要求20所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述放大器是液壓位移放大器。
22.如權(quán)利要求20所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述放大器使用至少一個桿。
23.如權(quán)利要求17所述的燃料噴射閥，其特征在于，當(dāng)燃料被噴射到所述燃燒室中時，所述燃料處于氣體狀態(tài)。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述燃料從包括下列物質(zhì)的組中選擇天然氣，甲烷，乙烷，液化石油氣，較輕的可燃的烴衍生物，氫氣以及它們的混合物。
25.如權(quán)利要求17所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述閥針是向內(nèi)開啟的閥針，從而當(dāng)朝著所述開啟位置移動時，所述閥針沿著與燃料流動的方向相反的向內(nèi)的方向移動。
26.如權(quán)利要求25所述的燃料噴射閥，其特征在于，所述噴嘴包括具有至少一個孔的閉合端，當(dāng)所述閥針與所述閥座間隔開時，所述燃料可以穿過所述孔被噴射。
27.如權(quán)利要求17所述的燃料噴射閥，其特征在于，與所述第二中間位置間隔開的第三中間位置限定位于所述第二和第三中間位置之間的第二閥針運動范圍的邊界，并且當(dāng)所述閥針位于所述第二和第三中間位置之間時，所述閥體和所述閥針的形狀被設(shè)計成當(dāng)所述燃料流動穿過所述噴嘴時配合地提供基本恒定的壓力下降，從而質(zhì)量流量基本恒定，但是高于當(dāng)所述閥針位于所述第一和第二中間位置之間時的質(zhì)量流量。
28.一種調(diào)節(jié)穿過燃料噴射閥的噴嘴進入內(nèi)燃機中的燃料質(zhì)量流量的方法，所述方法包括致動閥針以控制閥針升程，在噴射事件過程中和從一個噴射事件到另一個噴射事件，所述閥針升程可以響應(yīng)于測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)而變化，所述操作狀態(tài)包括內(nèi)燃機負(fù)荷和轉(zhuǎn)速；當(dāng)需要預(yù)先確定的恒定燃料質(zhì)量流量時，命令閥針移動到第一和第二中間位置之間的位置，所述第一和第二中間位置是位于閉合位置和完全開啟位置之間的預(yù)先確定的位置，其中所述燃料噴射閥被設(shè)計成當(dāng)所述閥針位于所述第一和第二中間位置之間時，并且當(dāng)所述燃料的壓力恒定時，允許恒定的燃料質(zhì)量流量；和當(dāng)需要與所述預(yù)先確定的恒定的燃料質(zhì)量流量不同的燃料質(zhì)量流量時，命令所述閥針移動到位于所述閉合位置和完全開啟位置之間的、但是不在所述第一和第二中間位置之間的位置。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括當(dāng)需要所述基本恒定的質(zhì)量流量時，命令所述閥針到位于所述第一和第二中間位置之間的中間點。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述基本恒定的燃料質(zhì)量流量對應(yīng)于對于怠速或低負(fù)荷狀態(tài)的適合的燃料質(zhì)量流量。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述基本恒定的燃料質(zhì)量流量通過下面的方法調(diào)節(jié)，即當(dāng)所述閥針位于所述第一和第二中間位置之間時，利用恒定的流動區(qū)域提供所述噴嘴內(nèi)的流動限制。
32.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述第二中間位置對應(yīng)于比所述第一中間位置的閥針升程更大的閥針升程，并且通過將所述閥針從所述第二中間位置朝著所述完全開啟的位置移動，所述燃料質(zhì)量流量可以基本并且逐漸地增加。
33.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述第二中間位置對應(yīng)于比所述第一中間位置的閥針升程更大的閥針升程，并且所述方法還包括當(dāng)需要第二基本恒定的質(zhì)量流量時，將所述閥針命令到位于所述第二中間位置和第三中間位置之間的位置，當(dāng)所述閥針位于所述第一和第二中間位置之間時，所述燃料噴射閥提供第一限制的流動區(qū)域，并且當(dāng)所述閥針位于所述第二和第三中間位置之間時，提供第二限制的流動區(qū)域，所述第二限制的流動區(qū)域大于所述第一限制的流動區(qū)域。
34.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，通過將所述閥針從所述第三中間位置朝著所述完全開啟的位置移動，所述燃料質(zhì)量流量可以基本地并且逐漸地增加。
35.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括將所述燃料從所述噴嘴直接噴射到所述內(nèi)燃機的燃燒室中。
36.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括將所述燃料以氣態(tài)引入所述噴嘴中。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述燃料從包括下列物質(zhì)的組中選擇天然氣，甲烷，乙烷，液化石油氣，較輕的可燃的烴衍生物，氫氣以及它們的混合物。
38.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括利用應(yīng)變式致動器直接致動所述閥針，所述致動器包括轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器從包括壓電的、磁致伸縮的、和電致伸縮的轉(zhuǎn)換器的組中選擇。
39.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括同樣控制噴射脈沖寬度以協(xié)助控制在噴射事件過程中噴射的燃料的總量，從而脈沖寬度從一個噴射事件到另一個噴射事件可以響應(yīng)于預(yù)先確定的測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)而變化。
40.如權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，還包括控制燃料噴射壓力以協(xié)助控制在噴射事件過程中噴射的燃料的總量，從而燃料噴射壓力從一個噴射事件到另一個噴射事件可以響應(yīng)于預(yù)先確定的測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)而變化。
41.一種通過控制閥針位置調(diào)節(jié)穿過燃料噴射閥的噴嘴進入內(nèi)燃機中的燃料質(zhì)量流量的方法，所述方法包括通過將閥針從閉合位置移動到第一中間位置，將燃料質(zhì)量流量從零增加到第一值，在所述閉合位置處，閥針被迫使緊靠閥座；當(dāng)所述閥針位于所述第一中間位置和第二中間位置之間時，使燃料質(zhì)量流量在所述第一值周圍基本保持恒定，所述第二中間位置與所述第一中間位置間隔開；通過將所述閥針從所述第二中間位置朝著完全開啟的位置移動，逐漸增加燃料質(zhì)量流量超過所述第一值；通過將閥針移動到完全開啟位置，將燃料質(zhì)量流量增加到最大值；和致動所述閥針以響應(yīng)于測量的內(nèi)燃機操作狀態(tài)控制閥針升程，所述操作狀態(tài)包括內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，其中所述閥針位置在噴射事件過程中以及從一個噴射事件到另一個噴射事件可以變化。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，包括利用應(yīng)變式致動器直接致動所述閥針。
43.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述第一值是當(dāng)所述內(nèi)燃機在怠速或者低負(fù)荷狀態(tài)下操作時被命令的燃料質(zhì)量流量。
44.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，還包括命令所述閥針根據(jù)階梯狀的波形移動，所述波形在第一階段過程中具有相對低的質(zhì)量流量，并且在第二階段過程中具有較高的質(zhì)量流量，并且其中所述第一值是命令用于所述第一階段的燃料質(zhì)量流量。
全文摘要
提供一種燃料噴射閥，用于將燃料引入內(nèi)燃機中并且控制燃料流動以降低噴射事件之間的可變性。燃料噴射閥對于閥門噴嘴使用這樣一種設(shè)置，其與閥針配合以提供一定的閥針運動范圍，在該范圍內(nèi)，燃料質(zhì)量流量基本恒定。這可以通過為預(yù)定的閥針運動范圍提供具有恒定流動區(qū)域的限制而實現(xiàn)。所述方法包括將閥針命令到預(yù)定的閥針運動范圍內(nèi)的位置，以降低燃料質(zhì)量流量中的可變性，特別是當(dāng)內(nèi)燃機怠速或者在低負(fù)荷狀態(tài)下操作時。閥針升程在噴射事件過程中和從一個噴射事件到另一個噴射事件可以變化。
文檔編號F02M61/18GK101044313SQ200580023093
公開日2007年9月26日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者理查德·溫, 伊恩·洛克利, 凱文·奧維爾斯貝 申請人:西港能源公司