專利名稱：混合型液壓電控噴油器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液壓電控噴油器(Hydraulic Electronic Unit Injector，以下簡稱HEUI)，更具體地說，它涉及一種既有非蓄壓式HEUI裝置的某些特性，又有蓄壓式HEUI裝置的某些特性的混合型HEUI裝置。
由于液壓電控噴油器(HEUI)裝置與傳統(tǒng)的凸輪驅(qū)動式或脈沖式噴油器裝置相比，對燃油噴射率、噴射定時(shí)和噴油量能夠提供更精確的控制，從而降低廢氣排放，改善燃油經(jīng)濟(jì)性及動力性，因此這種裝置最近幾乎被越來越多的人們所接受。蓄壓式和非蓄壓式FEUI裝置是眾所周知的，它們采用脈寬計(jì)量或壓力計(jì)量來控制燃油噴射定時(shí)和噴油量。但是，正如下面將要描述的那樣。兩種裝置為了噴射而儲存和釋放能量的方式從原理上是不同的，每種裝置所具有的優(yōu)點(diǎn)正是另一種裝置所缺乏的。
通常被認(rèn)為是非蓄壓式FEUI裝置已由美國伊利諾斯州的卡特匹勒公司商品化，這種裝置由針閥組件、壓力增壓器組件和電磁式開關(guān)閥等組成。這個(gè)開關(guān)閥可以將壓力增壓器組件的低壓腔交替連接到流體壓力源和回油口上，這樣可以對增壓器組件的高壓腔進(jìn)行增壓和卸壓。此高壓腔以流體形式與供油管路和針閥組件的噴嘴腔相連。每當(dāng)高壓腔的流體壓力增加到某一設(shè)計(jì)值(該值主要由針閥回位彈簧確定)以上時(shí)，針閥升起，噴射開始；當(dāng)噴嘴腔壓力降到同一設(shè)計(jì)值以下時(shí)，針閥關(guān)閉。
非蓄壓型HEUI裝置具有顯著的缺陷和缺點(diǎn)。
例如，噴射能量必須非?？斓膫鬟f，即與噴射同時(shí)。這種快速能量傳遞需要響應(yīng)非?？斓碾姶砰y，同時(shí)液壓液體速度非常高，從而導(dǎo)致相當(dāng)大的附加損失。實(shí)際上，對于大約1200巴的噴射壓力來說，這種噴油器裝置大約需要消耗5％的發(fā)動機(jī)功率。
其次，非蓄壓式HEUI裝置不能用在膨脹云噴射系統(tǒng)(Expanding CloudInjection system，以下簡稱ECI系統(tǒng))中。ECI系統(tǒng)是一種至少將每一個(gè)燃油填充的主要部分以降噴射率噴射的系統(tǒng)，這樣依次的燃油滴具有非常不同的速度。這種方式的噴射避免了油滴燒結(jié)，并且刺激液體燃料的霧化和混合，從而降低了煙度和排放。這種ECI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理在授予貝克(Beck)的第5,392,745號美國專利中進(jìn)行了詳細(xì)的討論。
另一方面，在非蓄壓式HEUI裝置中，燃油在大部分噴射過程中必須以升噴射率噴射。以升噴射率的噴射將使依次的燃油油滴以非常高的速度傳播，并且導(dǎo)致油滴燒結(jié)和不期望的從液體油滴輻射出的燃料蒸發(fā)的濃燃燒。
第三，一旦增壓器柱塞反向運(yùn)動或溢流口開放，非蓄壓式HEUI裝置的噴嘴腔的流體壓力將快速下降，這將導(dǎo)致燃燒氣體回流及針閥無阻尼快速關(guān)閉，后者又導(dǎo)致針閥及相應(yīng)表面的過早磨損失效。
非蓄壓式HEUI裝置的許多缺陷可以通過使用蓄壓式HEUI裝置而避免或緩解。蓄壓式HEUI裝置與非蓄壓式HEUI裝置的主要區(qū)別，在于蓄壓式在噴射過程前已施加了噴射能量并儲存在針閥閥座的上面，直到實(shí)際噴射開始，而不像非蓄壓式噴油器裝置那樣，所需的能量是在噴射過程中施加的。這種裝置的主要特征是采用了，(1)由一個(gè)路徑以流體形式與增壓器活塞高壓腔相連接，并且由兩個(gè)路徑以流體形式與噴嘴腔相連接的蓄壓器，和(2)一個(gè)位于針閥端面之上以流體形式與增壓器高壓腔相連的控制腔。高壓腔燃油壓力的增加，迫使燃油進(jìn)入蓄壓腔內(nèi)，但不能立即導(dǎo)致噴射，因?yàn)橛捎谛顗呵坏膲毫κ┘釉卺橀y上的提升力與控制腔內(nèi)作用在針閥上的壓力相等并且方向相反。當(dāng)電磁閥失電時(shí)，使增壓器低壓腔與回油油路接通，柱塞開始反向運(yùn)動。高壓腔和控制腔的壓力衰減消除了作用在針閥上的力，噴嘴腔內(nèi)的蓄壓壓力迫使針閥升起，噴射開始。當(dāng)由噴射腔的流體壓力所產(chǎn)生的提升力下降到由針閥回位彈簧和控制腔衰減后的流體壓力所產(chǎn)生的關(guān)閉壓力以下時(shí)，燃油噴射終止。這種蓄壓式HEUI裝置在已授予貝克等人的美國專利第33,270號專利中公開。
由于蓄壓式HEUI裝置可以在噴射前以相對慢的速度施加噴射能量，因此與非蓄壓式HEUI裝置相比，這種裝置可以采用相對來講動作慢得多的電磁閥。
另外，由于噴射僅在蓄壓器內(nèi)的被壓縮的流體控制下進(jìn)行，并且當(dāng)噴射開始時(shí)，液體壓力處于峰值狀態(tài)，因此，幾乎每個(gè)燃油填充的整個(gè)質(zhì)量均以穩(wěn)定的降噴射率噴射出去，這樣就非常適用于膨脹云噴射過程。此外，一旦針閥關(guān)閉，噴嘴腔的壓力停止衰減，由此施加在針閥上的提升力決不可能降到低于針閥關(guān)閉力以下很多，從而可以對針閥關(guān)閉起阻尼作用，使針閥壽命增加，早期失效減少。
盡管蓄壓式HEUI裝置有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于蓄壓式裝置中所呈現(xiàn)的降噴射率噴射這個(gè)顯而易見的缺點(diǎn)，該領(lǐng)域中的許多人仍會喜歡非蓄壓式裝置。很值得注意的是，人們會關(guān)心蓄壓式噴油器能夠產(chǎn)生非常均勻的燃料燃燒。在蓄壓式噴油器中，幾乎所有的燃料填充均以降噴射率噴射，所以整個(gè)燃油填充的相對較大的百分比發(fā)生在噴射過程的早期，也就是在燃燒開始之前噴出。在燃燒開始前，整個(gè)燃油填充的大約75％可以被霧化并與空氣混合，這些預(yù)先混合的燃油的突然燃燒，在點(diǎn)火開始時(shí)引起熱量快速釋放，從而導(dǎo)致高的噪音等級及煙霧，NO2和碳?xì)浠衔锏冗@些不期望的排放。蓄壓式HEUI裝置的設(shè)計(jì)者認(rèn)識到這個(gè)潛在問題，試圖通過在噴油器中采用噴射造形裝置來消除這個(gè)問題，這種噴油器可以產(chǎn)生一個(gè)造形噴射過程，即在以低噴射率的預(yù)噴射之后跟隨著一個(gè)高噴射率的主噴射。在預(yù)噴射和點(diǎn)火之后的主噴射燃料的延遲噴射主要通過消除主噴射的點(diǎn)火延遲時(shí)間來有效地控制預(yù)混合燃燒。并入噴射率造形裝置的蓄壓式HEUI裝置已在授予貝克等人的美國專利5,241,925號中公開。
在非蓄壓式HEUI裝置中的預(yù)混合燃燒，通常沒有在蓄壓式HEUI裝置中的預(yù)混合燃燒那么嚴(yán)重，因?yàn)檎麄€(gè)噴射燃料的大部分是在點(diǎn)燃后噴入的。在蓄壓式裝置中常常期望的噴射率造形裝置在非蓄壓式裝置中有時(shí)也被認(rèn)為是必須的，但通常認(rèn)為是沒有必要的。非蓄壓式HEUI裝置的支持者相信，這個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述的缺點(diǎn)，但是，對于具有為了降低排放延遲噴射定時(shí)的高輸出渦輪增壓式柴油機(jī)，不論對于蓄壓式還是非蓄壓式噴油器，噴射延遲時(shí)間變得非常短，并且基本上消除了預(yù)噴射燃燒。
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種裝置，這種裝置(1)至少在噴射過程的開始階段以較低的噴射率噴射燃油，因此它具有非蓄壓式HEUI裝置通常伴隨的減少預(yù)混合燃燒的優(yōu)點(diǎn)(2)至少在噴射過程結(jié)束階段以降噴射率噴射燃油，因此它具有蓄壓式HEUI裝置通常伴隨的針閥阻尼及膨脹云噴射的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明人已經(jīng)確信，只要對卡特匹勒公司目前正在制造的非蓄壓式HEUI噴油器稍作改進(jìn)，便可相當(dāng)滿意地生產(chǎn)出具有上述優(yōu)點(diǎn)的噴油器。準(zhǔn)確地講，盡管卡特匹勒不曾打算把它的HEUI裝置以任何方式作為蓄壓式裝置來工作，但是人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，僅僅為了避免回流而放入HEUI裝置中的單向閥，如果放在該裝置中的合適裝置并且與合適體積的流體通道相結(jié)合，便可使HEUI裝置至少在噴射過程的后期作為蓄壓式HEUI裝置工作，而在其它時(shí)間作為非蓄壓式HEUI裝置工作。更準(zhǔn)確地講，混合型HEUI裝置包括一個(gè)噴油器殼體，該殼體內(nèi)具體包括，(1)一個(gè)具有進(jìn)口和出口的供油通道，(2)一個(gè)具有進(jìn)口和出口、且進(jìn)口與供油通道的出口相連的排油通道，(3)一個(gè)在下部有一個(gè)噴嘴腔的軸向中孔，這個(gè)噴嘴腔有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)噴孔，進(jìn)口與排油通道的出口相連。像增壓式油泵這樣的裝置與供油通道的進(jìn)口相連，用于交替地壓縮燃油。在排油通道的進(jìn)出口之間設(shè)置了一個(gè)止回元件。噴嘴針閥放置在軸向中孔內(nèi)，針閥的下端伸在噴嘴腔內(nèi)。噴嘴針閥可在此孔內(nèi)從關(guān)閉噴孔的落座位置到允許燃油噴出噴孔的非落座位置之間滑動。當(dāng)針閥升起時(shí)噴射開始，當(dāng)針閥關(guān)閉時(shí)噴射終止。針閥回位彈簧對噴嘴針閥施加一個(gè)向下的偏置作用力。體積Vacc由噴嘴腔和排油通道內(nèi)的止回元件與該通道出口之間的部分確定。在噴射過程中，最大噴油量Qmax從此燃油噴射器中噴出。Vacc/Qmax大約是在1.0和10.0之間。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是根據(jù)需要改進(jìn)現(xiàn)有的卡特匹勒的HEUI裝置，使該裝置在噴射過程的初期維持升噴射率燃油噴射的同時(shí)，在噴射過程的相對較大的時(shí)間比例內(nèi)獲得降噴射率噴射，從而避免預(yù)混合燃燒。
可通過設(shè)置Vacc/Qmax來實(shí)現(xiàn)該目的，Vacc/Qmax大約在3.0和7.0之間，大約可能是5.0。
本發(fā)明的第三主要目的是提供一種改進(jìn)燃油噴射的方法，從而使噴射過程呈現(xiàn)出蓄壓式噴射過程的某些特性及非蓄壓式噴射過程的某些特性。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，這一目的首先通過提供一種燃油噴射器裝置來實(shí)現(xiàn)。該裝置包括一個(gè)噴油器殼體，該殼體內(nèi)具有(1)用于供應(yīng)來自燃油源的壓縮流體的供油通道，(2)一個(gè)具有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口、其進(jìn)口與供油通道相連的排油通道，(3)一個(gè)具有一個(gè)低位噴嘴腔的軸向中孔，該噴嘴腔具有一個(gè)與排油通道相連的進(jìn)口和一個(gè)噴孔，一個(gè)位于排油通道進(jìn)出口之間的止回元件。噴嘴針閥放置在軸向中孔內(nèi)，噴嘴腔設(shè)置在針閥下端周圍，噴嘴針閥可在該孔內(nèi)從關(guān)閉噴孔的落座位置到允許噴孔噴射的非落座位置之間滑動。針閥回位彈簧對噴嘴針閥施加一個(gè)向下的偏置作用力。隨后的步驟包括將供油通道和排油通道內(nèi)的燃油壓縮到一個(gè)峰值壓力，并且在壓縮階段，在燃油所施加的提升力作用下，克服針閥回位彈簧的作用力，針閥升起，從而燃油從噴孔噴出，噴射過程開始。在噴射過程開始后，燃油從噴孔噴出，此時(shí)的噴射率及噴射壓力并未顯著下降。隨后的步驟包括當(dāng)噴嘴針閥從閥座上升起、燃油從噴孔中噴出時(shí)，供油通道內(nèi)的壓力下降，然后止回元件關(guān)閉，這樣在止回元件下面截獲了一定量的大約為峰值壓力的燃油；然后這些被截獲的燃油從噴孔噴出，此時(shí)的噴射率及噴射壓力急劇下降，直到針閥關(guān)閉力克服提升力時(shí)，針閥下落到座面上使噴孔關(guān)閉，從而噴射過程結(jié)束。體積Vacc由噴嘴腔和位于回位元件和排油通道出口之間的排油通道部分確定。在噴射過程期間，從噴油器裝置中噴出的最大燃油量為Qmax，Vacc/Qmax大約在1.0和10.0之間。
本發(fā)明的其他目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將在下面具體例子的詳細(xì)描述及附圖中得到表現(xiàn)。但是，需要說明的，為了說明本發(fā)明而給出的詳細(xì)描述及特例，僅僅是為了說明，而不限于此。只要不偏離本發(fā)明的精神，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有許多更改和改進(jìn)，而本發(fā)明包括所有這些改進(jìn)。
優(yōu)先推薦的具體裝置如附圖所示。其中參考號代表所指零件。


圖1表示的是本發(fā)明的混合式HEUI裝置的工作原理。
圖2是圖1所示HEUI裝置的主要部分的剖面圖。
圖3表示的是三種不同的混合型HEUI裝置的噴射壓力、噴射率、針閥升程及針閥開放和關(guān)閉速度等隨時(shí)間變化的曲線。
依照本發(fā)明，可以通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置通常被認(rèn)為是非蓄壓式的現(xiàn)有的HEUI裝置的燃油通道大小，來生產(chǎn)一種具有蓄壓式裝置的某些特性及非蓄壓式裝置的某些特性的混合型液壓電控噴油器(HEUI)裝置?，F(xiàn)有的HEUI裝置包括一個(gè)具有高壓腔的增壓器，一個(gè)從增壓器高壓腔到噴油器噴嘴的噴油排道和一個(gè)設(shè)置在排油通道內(nèi)的單向閥。設(shè)置該單向閥的目的是避免燃油氣體經(jīng)過單向閥進(jìn)入噴油器的敏感區(qū)域?；旌闲虷EUI裝置通過設(shè)計(jì)位于單向閥下面的噴油通道部分的體積Vacc來實(shí)現(xiàn)，Vacc等于1.0到10.0之間的某個(gè)數(shù)值乘以一個(gè)噴射過程的最大燃油噴射量Qmax。最終的混合型裝置(1)至少在噴射過程的開始階段呈現(xiàn)出升噴射率噴射，因此呈現(xiàn)出降低預(yù)混合燃燒及一般與非蓄壓式HEUI裝置有關(guān)的其它優(yōu)點(diǎn)，(2)至少在噴射過程終止階段呈現(xiàn)降噴射率噴射，因此能夠產(chǎn)生膨脹云噴射、針閥關(guān)閉阻尼和一般與蓄壓式HEUI裝置有關(guān)的其它優(yōu)點(diǎn)。以降噴射率噴射過程的百分比隨Vacc/Qmax之比成正比增加。
參見圖1和圖2，圖示的是HEUI裝置10，這是卡特匹勒制造的類型，這種裝置已在授予格拉澤(Glassey)的美國專利第5,197,867號和授予韋爾斯(Wells)的美國專利第5,287,838號中公開。裝置10從上到下包括一個(gè)控制閥組件12，一個(gè)增壓器組件14和一個(gè)噴嘴組件16。用一個(gè)螺套18將所有這些組件固定在一起。裝置10通過螺套18中的第一個(gè)進(jìn)口21與供油管相連，通過控制閥組件12的閥體26內(nèi)的第二個(gè)進(jìn)口24與控制管22相連。圖示的控制管22是潤滑油供油管路，而實(shí)際上僅對裝置10略作改動即可采用燃油管路。
控制閥組件12被設(shè)計(jì)成交替地對增壓器組件的蓄壓腔54進(jìn)行增壓和卸壓，其目的在下面詳述。組件12包括閥體26和由電磁線圈30驅(qū)動的兩位三通開關(guān)閥28(圖1)，閥體26有一個(gè)進(jìn)口24，一個(gè)與回油通道34相連的回油口32和一個(gè)通過回油口32始終與增壓器組件的低壓腔50相連的控制腔36，根據(jù)閥28的位置，控制腔50交替地與控制管和回油通道相連。閥體26的下端與螺套18的上端通過螺紋聯(lián)結(jié)，閥體26下端有一個(gè)中心軸向孔40，增壓器組件14的上端放置在該孔內(nèi)。滑閥，一個(gè)或幾個(gè)球閥或柱塞閥或其他合適的閥也可用在閥28的位置。
增壓器組件14包括一個(gè)增壓器體42，該增壓器體上有一個(gè)中心軸向孔44，該孔與閥體26內(nèi)的孔40同軸，低壓活塞46和高壓柱塞48放置在孔40內(nèi)?；钊?6和柱塞48將低壓腔50與高壓腔52分開，并且確定了一個(gè)中間腔54，該腔通過通道56和單向閥58與供油管路相連接，使漏到腔54內(nèi)的流體放出?；钊?6由回位彈簧60作用推向上邊，高壓腔52有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)與下面將要詳述的噴嘴針閥組件16相連的出口62。增壓器體42內(nèi)有一個(gè)供油通道64，供油通道64有一個(gè)與第一進(jìn)口21相連的進(jìn)口66和一個(gè)與下面將要詳述的高壓腔52相連的出口68。單向閥70設(shè)置在通道64內(nèi)，它允許燃油自由地從燃油管路20向高壓腔52流動，但不允許燃油反向流動。
噴嘴組件16從上到下包括止擋72、襯套74及與其它零件同軸的針閥噴頭76。針閥噴頭76內(nèi)有一個(gè)軸向中孔78，該孔伸向下面的噴嘴腔82，并在中部位置擴(kuò)大形成一個(gè)腎狀腔84。噴嘴針閥80為臺階狀，位于中孔78內(nèi)，與中孔78上部的導(dǎo)向段密封，但在腎狀腔84和噴嘴腔82之間，流體通過環(huán)帶83可無節(jié)流地流動。排油通道86經(jīng)由止擋72、襯套74和噴頭76延伸到腎狀腔84，這樣，通過腎狀腔84和環(huán)帶83以流體形式將高壓腔52與噴嘴腔82連接起來。由于環(huán)帶83和腎狀腔84與排油通道86始終連接在一起，因此可以把它們看作是排油通道86的一部分。
出于下述原因，在排油通道86上設(shè)置一個(gè)止回元件或單向閥88，以避免從噴嘴腔82向高壓腔52的回流。此閥可以是圖示的球型閥，平板閥或其它止回閥。由上述可知，單向閥88以下的排油通道部分(包括腎狀腔84和環(huán)帶83)和環(huán)形噴嘴腔82具有一個(gè)今后稱為Vacc的組合體積。
止擋72的下表面用于止擋針閥80，上面有一個(gè)拱形腔90，它將供油通道的出口68與高壓腔52的進(jìn)口61連接起來。
襯套74劃分出一個(gè)彈簧腔92，針閥桿94及針閥回位彈簧96位于該腔內(nèi)。彈簧腔92與噴油通道86是封閉隔開的，但是有一個(gè)通過通道(圖2未表示)與單向閥70上游的供油通道64相連的出口，從而使在噴射過程中泄入該腔的壓縮燃油放回到燃油管路20內(nèi)，從而避免腔92內(nèi)的壓力升高。
在工作時(shí)，由于針閥回位彈簧96的作用，針閥80的頭部通常偏置于座面位置，從而阻止噴射。當(dāng)電磁線圈30通電，使開關(guān)閥28從圖1所示位置切換到使增壓器組件14的低壓腔50與控制管22相連時(shí)，噴射開始。增壓流體流入低壓腔50，驅(qū)動活塞46和柱塞48向下運(yùn)動，從而使高壓腔52內(nèi)的燃油壓力以活塞46與柱塞48的面積之比的倍數(shù)增壓，通常該比值大約為7∶1。排油通道86(包括腎狀腔84和環(huán)帶83)和噴嘴腔82內(nèi)的壓力相應(yīng)增加。當(dāng)噴嘴腔內(nèi)的燃油壓力施加在針閥上的得升力克服彈簧96所施加的回位力時(shí)，噴射開始，并隨著增壓器柱塞48的向下運(yùn)動繼續(xù)噴射。為了終止噴射，電磁線圈30斷電，柱塞48反向運(yùn)動，高壓腔52、通道86和噴嘴腔82內(nèi)的燃油卸壓。當(dāng)噴嘴腔82內(nèi)的正在下降的燃油壓力所施加的提升力被回位彈簧96的回位力克服時(shí)，針閥80關(guān)閉，噴射終止。柱塞48再向上運(yùn)動，通過供油通道64和單向閥70將燃油吸入高壓腔52，這樣裝置10為下一個(gè)噴射過程做好準(zhǔn)備。
除了設(shè)計(jì)體積Vacc外，HEUI裝置實(shí)際上與上面提到的韋爾斯公開的相同。但是根據(jù)韋爾斯的專利文本，與單向閥88所對應(yīng)的單向閥的唯一用途是在噴射過程結(jié)束時(shí)，如果燃燒室的氣體壓力大于噴嘴腔的燃油壓力時(shí)，避免回流現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。另一個(gè)未被認(rèn)識的作用是通過選擇增壓腔內(nèi)的壓力下降來使該值大于Vacc體積內(nèi)的壓力下降，迫使此單向閥關(guān)閉。選擇Vacc體積的大小，同樣也可以控制針閥的落座速度和沖擊應(yīng)力。根據(jù)韋爾斯的專利，該單向閥僅僅設(shè)計(jì)為在噴射過程終止時(shí)關(guān)閉。換句話說，韋爾斯僅僅將單向閥設(shè)計(jì)為噴射燃油后關(guān)閉，因此未曾打算在噴射過程的任何時(shí)期將公開的HEUI裝置作為蓄壓式噴射器裝置來工作。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上在單向閥88下游的體積Vacc內(nèi)，以大約峰值壓力截獲了一些燃油，噴射將持續(xù)一段時(shí)間。韋爾斯專利公開的裝置中，此單向閥關(guān)閉后的噴射量占噴射過程總的燃油噴射量的5-10％。本發(fā)明者另外還發(fā)現(xiàn)，單向閥關(guān)閉后噴射同蓄壓式HEUI裝置一樣，為降噴射率噴射，如果合理地設(shè)計(jì)此裝置，利用這些優(yōu)點(diǎn)可以產(chǎn)生出一種混合型HEUI裝置。
本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于柴油燃料同任何液體一樣可壓縮到一定程度，在單向閥88關(guān)閉后仍將發(fā)生一些噴射。因此，當(dāng)由于增壓器組件14的高壓腔內(nèi)的液體壓力開始下降(當(dāng)增壓器柱塞停止向下運(yùn)動并且開始反向時(shí))使單向閥88關(guān)閉時(shí)，在壓力作用下的可壓縮液體，以大約為系統(tǒng)峰值壓力這樣一個(gè)高于針閥關(guān)閉壓力的壓力被截獲在體積Vacc內(nèi)，從而保持針閥開放，直到體積Vacc內(nèi)的壓力降至針閥關(guān)閉壓力時(shí)止。因此，在體積Vacc內(nèi)的壓力降到某一壓力值以下，此時(shí)噴嘴腔82內(nèi)的衰減流體壓力作用在針閥80上的提升力被回位彈簧96施加的關(guān)閉力所克服之前，將繼續(xù)噴射。本發(fā)明者另外還發(fā)現(xiàn)，在單向閥關(guān)閉后，裝置10可作為蓄壓式裝置工作，具有降噴射率噴射及ECI的能力。降噴射率噴射的最大持續(xù)時(shí)間/或降噴射率噴射的燃油質(zhì)量占整個(gè)燃油噴射量的百分比直接隨Vacc/Qmax比值變化而變化。Qmax是在全負(fù)荷時(shí)的燃油噴射量，發(fā)動機(jī)在輕載荷工作條件下，噴射量將小一些。當(dāng)Vacc/Qmax比值明顯低于1.0時(shí)，由于單向閥88關(guān)閉之后針閥80幾乎同時(shí)關(guān)閉，因此單向閥關(guān)閉后的噴油量占總的噴射量的百分比是微不足道的。當(dāng)比值Vacc/Qmax大約為1.0時(shí)，與韋爾斯專利公開的及卡特匹勒制造的商品型HEUI裝置中出現(xiàn)的情況相同，總的噴射量的大約5-10％是以降噴射，亦即在單向閥關(guān)閉后噴射的，當(dāng)比值Vacc/Qmax為10或更大一些時(shí)，幾乎所有的燃油量均是在單向閥88關(guān)閉后噴射的?？赏ㄟ^下述方法在裝置10中增加Vacc體積在制造過程中增大排油通道86的直徑；增加與通道86相通的額外通道；密封彈簧腔92并與通道86連在一起(使彈簧腔作為通道86的一部分)，同時(shí)將針閥桿94的上端與彈簧密封開，或采用其它合適的方法。
通過對圖3的討論，將可以更好地理解單向閥關(guān)閉后的噴射效果及由于比值Vacc/Qmax的變化而對噴射特性所產(chǎn)生的影響。圖3表示了在噴射量為Qmax的噴射過程中三種混合型噴油器的噴油特性。隨著比值Vacc/Qmax的增加，以降壓力產(chǎn)生的噴射過程的百分比將顯著增加。由于噴射壓力和噴射率直接相關(guān)，所以從曲線106、108和110可以看出，隨著比值Vacc/Qmax的增加，以降噴射率產(chǎn)生的噴射過程的百分比同樣增加。在這些曲線中，曲線100和106表示比值Vacc/Qmax為1.0時(shí)的噴油器的噴射壓力和噴射率曲線102和108表示比值Vacc/Qmax為5.0時(shí)的噴射壓力和噴射率；曲線104和110表示比值Vacc/Qmax為10.0時(shí)的噴射壓力和噴射率。每一條曲線中的P點(diǎn)是單向閥88關(guān)閉點(diǎn)。
預(yù)混合燃燒和降噴射率噴射之間的權(quán)衡主要是設(shè)計(jì)者的愛好問題。蓄壓式HEUI裝置的支持者為了獲得降噴射率的優(yōu)點(diǎn)，愿意冒一些預(yù)混合燃燒的風(fēng)險(xiǎn)(或并入一個(gè)噴射率造形裝置)。而非蓄壓式HEUI裝置的支持者，為了減少預(yù)混合燃燒的可能性，愿意放棄降噴射率噴射的優(yōu)點(diǎn)。因此，蓄壓式HEUI裝置的支持者喜歡選擇Vacc/Qmax為10或更大一些的比值，從而獲得與蓄壓式裝置工作相似的裝置；而非蓄壓式HEUI裝置的支持者為了獲得與非蓄壓式裝置相似的裝置，愿意選擇Vacc/Qmax的比值小于1。為了追求這兩種裝置的最大優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)在3.0和7.0之間尋找一個(gè)比值Vacc/Qmax，最可能是5.0。
特別需要指出的是，不論比值Vacc/Qmax被選擇為10.0或高一些，還是在兩者之間的某一值，均可獲得一種混合型裝置。
例如，在真正的蓄壓式裝置中，在增壓器活塞反向運(yùn)動之前，增壓器壓力作為關(guān)閉力作用在針閥上端。這個(gè)關(guān)閉力的應(yīng)用限制了噴射過程中針閥處于半開放狀態(tài)時(shí)以升噴射率噴射的那一部分。但是，在混合式噴射器10中，不存在液體壓力關(guān)閉力，當(dāng)Vacc/Qmax相對較大時(shí)，每當(dāng)體積Vacc內(nèi)的流體壓力超過某一值時(shí)，此時(shí)流體壓力所施加的提升力部分克服針閥回位彈簧96所施加的回位力時(shí)，針閥80可自由升起。
另外，在缺少單向閥88的情況下，在增壓器活塞反向之后(或者一旦增壓器壓力的降低率大于體積Vacc內(nèi)壓力降低率時(shí))，噴射將立即中止，實(shí)際上沒有燃油以降噴射率噴射。但是，出于柴油和任何其它流體燃料可以壓縮到某一程度，即使Vacc/Qmax小于1，單向閥88關(guān)閉時(shí)截獲的燃油仍將以降噴射率繼續(xù)噴射，直到體積Vacc內(nèi)的壓力降到針閥關(guān)閉壓力以下。事實(shí)上，采用防回流單向閥的韋爾斯及其它人顯然從未認(rèn)識到這些，或者為了使整個(gè)燃油噴射獲得期望的升或者恒噴射率噴射，他們已采取了措施使針閥與單向閥同時(shí)關(guān)閉或者在單向閥關(guān)閉前即已關(guān)閉?，F(xiàn)在假設(shè)韋爾斯專利中所公開的或卡特匹勒制造的相應(yīng)商品化的裝置中的體積Vacc非常大，實(shí)現(xiàn)了顯著的單向閥關(guān)閉后噴射，但是，韋爾斯的專利和其它書面文件證明卡特匹勒或任何其它人均，1)未曾打算在單向閥關(guān)閉后產(chǎn)生任何噴射，2)未曾知道這種關(guān)閉后噴射的發(fā)生，3)未曾知道在關(guān)閉后的噴射期間所發(fā)生的蓄壓式噴射的降噴射率噴射特性。
除上面討論的將升噴射率/壓力和降噴射率/壓力組合在一起之外，本發(fā)明的混合型蓄壓/非蓄壓式HEUI裝置10還可獲得其它益處。
例如，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)針閥的開放速度直接隨Vacc/Qmax的增加成正比變化，針閥的關(guān)閉速度隨Vacc/Qmax的變化成反比變化。如曲線118和124表示在Vacc/Qmax為1.0時(shí)針閥的開放及關(guān)閉速度；曲線120和126表示Vacc/Qmax為5.0時(shí)相應(yīng)的值曲線122和128表示Vacc/Qmax為10.0時(shí)的相應(yīng)值。所產(chǎn)生的針閥升程由曲線112、114和116表示，這些曲線分別表示了比值Vacc/Qmax為1.0、5.0和10.0時(shí)針閥的開放狀態(tài)。這里，值得注意的發(fā)現(xiàn)是，由單向閥關(guān)閉后發(fā)生的蓄壓式(降噴射率)噴射所產(chǎn)生的針閥阻尼效果將隨Vacc/Qmax增加而增加。由于截獲在體積Vacc內(nèi)的流體作用在針閥上的提升力阻止針閥關(guān)閉，所以產(chǎn)生針閥阻尼。對針閥關(guān)閉的阻擋和針閥阻尼隨容腔Vacc內(nèi)的壓力衰減而降低。隨著Vacc的增加，壓力衰減率減小，在噴射過程結(jié)束時(shí)的針閥阻尼值將增加。
雖然為了快速結(jié)束噴射過程，許多人期望針閥快速關(guān)閉，但是由于針閥快速關(guān)閉將冒沖擊應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)，并且破壞針閥和閥座，因此針閥阻尼是非常重要的。圖3中的虛線130所示的是沖擊速度極限，通常表示了針閥最大許可關(guān)閉速度。如果針閥關(guān)閉速度達(dá)到或超過此極限，將會損壞針閥和閥座。曲線124表明，如果Vacc/Qmax小于1.0，將存在一個(gè)達(dá)到?jīng)_擊速度極限的危險(xiǎn)。除非針閥80和針閥回位彈簧96的尺寸和結(jié)構(gòu)被合理設(shè)置(注意曲線124和直線130的交點(diǎn))。
但是，隨著比值Vacc/Qmax的增加，針閥阻尼將很快達(dá)到針閥關(guān)閉時(shí)阻尼非常充分從而避免嚴(yán)重危險(xiǎn)或噴油器的早期磨損的水平。針閥阻尼還提出另外一個(gè)理由使體積Vacc足夠大，從而使HEUI裝置10在噴射過程的大部分期間作為蓄壓式裝置來工作。
無論是韋爾斯專利中公開的對HEUI裝置描述，還是對卡特匹勒相應(yīng)的商品化裝置的描述，針閥阻尼提出了更進(jìn)一步的跡象表明，卡特匹勒不曾打算設(shè)計(jì)混合型裝置，也未曾認(rèn)識到已經(jīng)產(chǎn)生的任何混合型裝置的結(jié)果。在包括卡特匹勒出版的為了避免回流和為了獲得其它已發(fā)現(xiàn)的有益結(jié)果而獲得快速針閥關(guān)閉的文獻(xiàn)中有大量的討論，卡特匹勒在它的供油管路中增加該單向閥，很明確是處于關(guān)心回流并想避免其后果。如果卡特匹勒已認(rèn)識到，增加該單向閥將對針閥關(guān)閉起阻尼作用，并且增加氣體回流的可能性和其它不期望的后果，它就不會增加此單向閥或已采取了其它措施來加速針閥關(guān)閉。實(shí)際上它們并未采取這樣的附加措施。
另一個(gè)潛在優(yōu)點(diǎn)是防止任何進(jìn)入噴射器裝置的回流。韋爾斯的單向閥所陳述的目的是防止假定在大約噴射過程結(jié)束時(shí)燃燒氣體經(jīng)過這些單向閥，流入噴射器裝置內(nèi)被認(rèn)為是比較敏感的區(qū)域。進(jìn)入Vacc的一些氣體的回流顯然是在先的。但是，如果合理地選擇針閥關(guān)閉壓力和單向閥關(guān)閉壓力，在體積Vacc內(nèi)截獲的燃油壓力能夠避免燃燒氣體吹入噴射器-甚至進(jìn)入體積Vacc。
總之，在韋爾斯專利中公開的HEUI裝置中增加防止回流單向閥可產(chǎn)生一種基本與本發(fā)明的蓄壓/非蓄壓式HEUI裝置10相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)。在裝置10中，甚至在噴射過程的后期，即在單向閥88關(guān)閉后，以一個(gè)基本穩(wěn)定的降噴射率噴射，韋爾斯未曾打算生產(chǎn)這種混合型裝置。事實(shí)上，韋爾斯追求的與此相反，也就是在單向閥關(guān)閉時(shí)甚至在關(guān)閉前終止噴射。因此，在發(fā)現(xiàn)韋爾斯的裝置在單向閥關(guān)閉后至少有一小部分以降噴射率噴射，只有當(dāng)Vacc/Qmax大小1.0時(shí)才能產(chǎn)生有益的針閥阻尼和明顯的ECI的優(yōu)點(diǎn)。
只要不偏離本發(fā)明的精神，本發(fā)明可以有許多更改和改進(jìn)。這些更改的范圍將從后面的權(quán)利要求中得到體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種燃油噴射器裝置，該裝置包括(A)一個(gè)噴射器殼體，該殼體內(nèi)具有(1)一個(gè)具有進(jìn)口和出口的供油通道，(2)一個(gè)具有進(jìn)口和出口、其進(jìn)口與所述供油通道的所述出口相連的排油通道，(3)一個(gè)帶有低位噴嘴腔的軸向中孔，所述噴嘴腔具有一個(gè)與所述排油通道的所述出口相連的進(jìn)口和一個(gè)噴孔；(B)與所述供油通道的所述進(jìn)口相連、用于交替壓縮燃油的裝置；(C)一個(gè)設(shè)置在所述排油通道的所述進(jìn)口與所述出口之間的止回元件；(D)一個(gè)位于所述軸向中孔內(nèi)的針閥，所述針閥下部具有一個(gè)針閥尖，所述針閥尖伸在所述噴嘴腔內(nèi)，所述針閥可在所述孔內(nèi)從關(guān)閉所述噴孔的落座位置到允許從所述噴孔噴射燃油的非落座位置之間滑動，一旦針閥升起，噴射過程開始，一旦針閥關(guān)閉，噴射終止；(E)一個(gè)向所述針閥施加向下偏置力的針閥回位彈簧，其中，體積Vacc由所述噴嘴腔和在所述止回元件與所述排油通道的所述出口之間的那一部分所述排油通道確定；在一個(gè)噴射過程中，最大燃油量Qmax從所述燃油噴射器裝置中噴出，Vacc/Qmax是在1.0和10.0之間。
2.如權(quán)利要求1所述噴射器裝置，其特征在于，Vacc/Qmax是在3.0和7.0之間。
3.如權(quán)利要求1所述噴射器裝置，其特征在于，Vacc/Qmax為5.0。
4.如權(quán)利要求1所述噴射器裝置，其特征在于，所述止回元件包括球型單向閥和平板碟式單向閥中的任一種。
5.如權(quán)利要求1所述噴射器裝置，其特征在于，所述針閥回位彈簧對所述針閥施加純粹的向下偏置力。
6.如權(quán)利要求5所述噴射器裝置，其特征在于，所述殼體內(nèi)有一個(gè)彈簧腔，所述針閥回位彈簧和所述噴嘴針閥的上端位于所述彈簧腔內(nèi)。
7.如權(quán)利要求1所述噴射器裝置，其特征在于，用于交替壓縮的所述裝置包括一個(gè)具有一個(gè)大直徑活塞面和一個(gè)小直徑柱塞表面的增壓器，一個(gè)在所述活塞面之上所形成的并可以與壓力油源和回油路交替連接的低壓腔，和一個(gè)在所述柱塞面之下并與所述供油通道相連的高壓腔。
8.一種液壓電控燃油噴射器，它包括(A)一個(gè)噴射器體，其中包括(1)一個(gè)用于供給壓力流體的供油通道，所述供油通道有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，(2)一個(gè)具有進(jìn)口和出口、且進(jìn)口與所述供油通道相連的排油通道，(3)一個(gè)具有低位噴嘴腔的軸向中孔，所述噴嘴腔具有一個(gè)與所述排油通道的所述出口相連的進(jìn)口和一個(gè)噴孔；(B)在所述排油通道的所述進(jìn)口與所述出口之間有一個(gè)止回元件，所述止回元件為球形單向閥和板式碟形單向閥中的任何一種；(C)一個(gè)位于軸向中孔內(nèi)的噴嘴針閥，該針閥的下部有一個(gè)針閥尖，在其周圍是所述噴嘴腔，所述噴嘴針閥可在所述孔內(nèi)從關(guān)閉所述針閥的落座位置到允許從所述噴孔噴出燃油的非落座位置之間滑動；(D)一個(gè)向所述噴嘴針閥施加向下偏置力的針閥回位彈簧，在所述殼體內(nèi)有一個(gè)彈簧腔，所述針閥回位彈簧和所述噴嘴針閥的上端位于所述彈簧腔內(nèi)，從所述彈簧腔到低壓油箱之間有一個(gè)放氣通道；(E)一個(gè)具有一個(gè)大直徑活塞面和一個(gè)小直徑柱塞面的增壓器，一個(gè)在所述活塞面之上形成的并且能與壓力油源和回油路交替連接的低壓腔和一個(gè)在所述柱塞之下形成的并與所述供油通道相連的高壓腔；其中，體積Vacc由所述噴嘴腔和所述排油通道出口之間的所述排油通道部分確定；在噴射過程中，最大噴油量Qmax從所述噴油器裝置中噴出，這里Vacc/Qmax是在3.0與7.0之間。
9.一種噴射燃油的方法，它包括(A)提供一種燃油噴射器裝置，它包括(1)一個(gè)噴射器殼體，該殼體內(nèi)具有(a)一個(gè)用于從油源供給壓力燃油的通道，(b)一個(gè)具有進(jìn)口和出口、且進(jìn)口與供油通道相連的排油通道，(c)一個(gè)具有低位噴嘴腔的軸向中孔，所述噴嘴腔具有一個(gè)與所述排油通道的所述出口相連的進(jìn)口和一個(gè)噴孔；(2)一個(gè)位于所述排油通道的所述進(jìn)、出口之間的止回元件，(3)一個(gè)位于所述軸向中孔內(nèi)的噴嘴針閥，該針閥的下部有一個(gè)針閥尖，在其周圍是所述噴嘴腔，所述針閥可在所述孔內(nèi)從關(guān)閉所述噴孔的落座位置到允許從噴孔中噴出的非落座位置之間滑動，(4)一個(gè)向所述噴嘴針閥施加向下偏置力的針閥回位彈簧，(B)將在所述供油通道和所述排油通道內(nèi)的燃油壓縮到一個(gè)峰值壓力；(C)在所述的壓縮過程中，在所述燃油的提升力作用下，克服所述回位彈簧所施加的偏置力，使所述針閥升起，從所述噴孔噴出燃油，噴射過程開始；在所述噴射過程開始以后，燃油以一個(gè)未顯著下降的噴射率和壓力從所述噴孔噴出，然后，(D)當(dāng)所述針閥從其座面升起、燃油從所述噴孔噴出時(shí)，所述供油通道內(nèi)的壓力下降；然后，(E)關(guān)閉所述止回元件，因此在所述回位元件下，以所述峰值壓力截獲一定的燃油；然后，(F)以連續(xù)下降的噴射率或壓力使所述截獲燃油從所述噴孔內(nèi)噴出，直到所述提升力被所述關(guān)閉力整理；然后，(G)所述針閥下降止靠到所述座面從而關(guān)閉所述噴孔，所述噴射過程結(jié)束；其中，體積Vacc由所述噴嘴腔和在所述止回元件與所述排油通道出口之間的排油通道部分確定；在噴射過程中，從所述燃油噴射器裝置中噴出最大燃油量Qmax，這里Vacc/Qmax是在1.0到10.0之間。
10.如權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，Vacc/Qmax是在3.0和7.0之間。
11.如權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，Vacc/Qmax為5.0。
12.如權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，所述增壓步驟包括，在所述增壓器高壓腔截獲燃油，所述增壓器具有一個(gè)大直徑活塞表面和一個(gè)小直徑柱塞表面、一個(gè)在所述活塞面積之上形成的并且能夠與增壓油源和回油口交替接通的低壓腔和在所述柱塞面積之下形成的并與所述供油通道連接的所述高壓腔，并且使增壓燃油進(jìn)入所述低壓腔，驅(qū)動所述柱塞向所述高壓腔運(yùn)動，從而使在所述高壓腔內(nèi)的燃油壓力升高。
13.如權(quán)利要求12所述方法，其特征在于，當(dāng)所述增壓腔的所述柱塞的運(yùn)動方向發(fā)生改變時(shí)，所述減壓步驟開始。
14.如權(quán)利要求9所述方法，其特征在于，在步驟(E)中，被截獲的燃油壓力值高于峰值燃燒壓力，因此避免了燃燒氣體進(jìn)入所述燃油噴射器的回流。
15.如權(quán)利要求9所述方法，它進(jìn)一步包括選擇所述體積Vacc及所述針閥回位彈簧力的大小，以便將針閥落座速度限制在沖擊速度極限之下。
全文摘要
通過設(shè)計(jì)現(xiàn)有的為避免氣體回流而設(shè)置的單向閥下游的通道體積Vacc,使之等于一個(gè)噴射過程中最大噴油量Qmax的1.0—10.0倍,便可產(chǎn)生一種具有蓄壓式裝置的某些特性和非蓄壓式裝置的某些特性的混合型液壓電控噴射器。這種混合裝置1)至少在噴射過程的初期呈現(xiàn)升噴射率噴射,因此具有非蓄壓式HEUI裝置所具有的優(yōu)點(diǎn);2)至少在噴射過程的最終階段呈現(xiàn)降噴射率噴射,因此具有蓄壓式HEUI裝置所具有的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F02M57/02GK1174935SQ97113748
公開日1998年3月4日 申請日期1997年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月12日
發(fā)明者N·約翰·貝克, R·巴克赫莫 申請人:貴州紅林機(jī)械廠, 伺服產(chǎn)品國際公司