專利名稱：具有增壓燃料存儲腔的燃料噴射器及操作具有該燃料噴射器的發動機的方法
技術領域：
本發明涉及燃料噴射器以及燃料噴射系統領域。
背景技術：
燃料噴射器性能，特別是柴油機中的燃料噴射器性能，對發動機的整體性能、尤其是排放性能具有重要影響。其中，特別重要的是停止噴射燃料的速度。具體地，如果僅通過減小噴射壓力來停止噴射燃料，則會由于增壓器式燃料噴射器中的燃料和驅動流體的壓縮性而難以快速地停止噴射，這會使得霧化作用減弱，從而導致排氣管中未燃燒的燃料的水平無法接受。因此，目前已經提出多種類型的直接控制針閥而不是通過控制噴射壓力來進行噴射控制。此外，燃料噴射器，特別是柴油噴射器一直以來總是在增強噴射壓力，目前噴射壓力已能達到3000巴05，000磅/平方英寸)。柴油具有每67巴(1000磅/平方英寸)約 1 %的壓縮性，因此在所述噴射壓力下，柴油已經被顯著壓縮。在增壓器式燃料噴射器中，噴射是作為增壓的結果而直接發生的，因此在增壓時噴射開始，而在增壓結束時噴射停止。從而，增壓的燃料量設置為等于所需的最大噴射量，當然還要加上針閥室(needle chamber), 通往該針閥室的通道等的一些經常性燃料占用量。當發動機為部分功率設置時，所需的燃料噴射量遠小于最大噴射量，但是仍然會壓縮足量的燃料，然后減壓，這會損失掉用于壓縮未噴射的燃料所需的能量，在發動機低功率設置或空轉時，該損失的能量可能是用于增壓的大量能量的大部分。在具有直接控制針閥的燃料噴射器中，以下操作略顯困難進行增壓，進而通過直接控制針閥進行噴射，然后再次通過直接控制針閥停止噴射，并進而減壓以重新填充增壓腔以便進行下一次循環。雖然該循環有點困難，但是增壓能量的損失是不同的。燃料噴射器采用直接控制針閥來控制供給到該燃料噴射器的燃料以噴射壓力噴射，該種燃料噴射器也是公知的。由于燃料一旦被壓縮，無論發動機的功率設置如何，其遲早會全部噴射，因此這些噴射系統更富效率。這些噴射系統的優點還在于，在每次噴射動作進行時不會使得燃料壓力在所述針閥室內循環，因此有助于減少但不會消除導致噴射器噴頭損壞的可能性。但是，這種噴射系統具有嚴重的缺點。除了具有管道(rail)處于噴射壓力作用下的安全性問題以及相關的檢測問題之外，其對發動機也具有嚴重的風險，該風險在于如果噴頭斷裂，會形成從高壓管道到所述燃燒室的直接的連續流動路徑，這會造成帶來災難后果的發動機的液壓卡緊。
圖1是根據本發明的燃料噴射器的剖視圖；圖2是位于所述燃料噴射器下部的高壓燃料存儲腔的示意圖；圖3是一種可選實施方式的剖視圖。
具體實施例方式在以下的描述中，術語“噴射動作”指的是一個完整的噴射動作，其可以包括輔助動作，作為一個示例，例如主噴射之前的預噴射，所述主噴射可以是單獨的主噴射，或者是一系列較小的噴射。噴射動作可以在一個燃燒循環(工作沖程)結束之后的任何時刻開始， 并且將在下一個燃燒循環(工作沖程)結束之前結束。因此，在二沖程或二循環模式的發動機工作中，發動機曲軸每旋轉一周(曲軸每旋轉360° )的過程中將發生連續的噴射動作， 而在四沖程或四循環模式的發動機工作中，發動機曲軸每旋轉兩周(曲軸每旋轉720° )的過程中將發生連續的噴射動作。首先參照圖1，圖1顯示根據本發明一種實施方式的噴射器的剖面。所述噴射器包括針20，該針20通過彈簧22通常保持在關閉位置，所述彈簧22作用在元件M上，而元件M推壓針20的頂部。所述噴射器為具有增壓器活塞沈的增壓器式噴射器，所述增壓器活塞沈由低壓驅動流體驅動而作用在柱塞28頂部，在噴射動作之間通過螺旋彈簧30和經由單向閥(未顯示)的燃料進口壓力而使得所述增壓器活塞26和柱塞觀返回到其未受驅動的位置。所述噴射器的頂部為一個單獨的電磁驅動的三通滑閥，該電磁驅動的三通滑閥一般標示為數字32并帶有復位彈簧34，當處于第一位置時，該電磁驅動的三通滑閥使得驅動流體通過開口 36與所述增壓器活塞沈上方的區域連通，或者可選擇地，當處于第二位置時，該電磁驅動的三通滑閥使得增壓器活塞沈上方的區域與出口 38連通。所述噴射器的側面連接有較小的第二滑閥以進行直接針閥控制，該第二滑閥一般標示為數字40。盡管根據需要可以采用其它類型的閥門，包括其它類型的滑閥，但在優選實施方式中，滑閥40為三通電磁自鎖滑閥，該三通電磁自鎖滑閥在工作時電磁自鎖，而在接收到一個小的反向電流時由彈簧復位而解鎖。在該公開的實施方式中，所述滑閥40在工作時還使得線42中的驅動流動壓力與線44中的驅動流動壓力連通，或者可選擇地，在所述滑閥解鎖時阻斷線40中驅動流體的流動，并使得線44與低壓出口 46連通。通過三通滑閥 40，線44中的壓力可控制地對活塞48下方的區域進行增壓，并進而控制驅動銷M。活塞 48上方的區域與加壓驅動流體源保持連通，因此在所述發動機運轉時該活塞48上方的區域始終受壓。對活塞48和增壓器而言，盡管也可以采用其它驅動流體，例如燃料，但該驅動流體優選為發動機機油。在操作時，使得活塞48下方的區域開放，即使需要克服所述針閥室內的增壓燃料壓力，彈簧22和活塞48上方的驅動流體壓力也會使得所述針保持關閉。當噴射即將發生時，驅動針控制閥40使得驅動流體壓力與活塞48下方的區域連通，該驅動流體壓力使得所述活塞保持平衡，從而允許所述針閥室內的增壓燃料壓力克服彈簧22的彈力而打開所述針。當然，在噴射結束時，所述針控制閥40解鎖，以使得活塞48下方的區域再次開放，從而允許活塞48上方的驅動流體壓力壓迫所述針關閉。當然，所述針控制閥46可以操作多次，首次操作用來進行第二次噴射之前的預噴射，或者甚至用來提供脈沖噴射。其中，對于本發明而言，特別重要的是大容積存儲腔50(另可參見圖2的剖面圖所示)、大通量開口 52以及止回閥M(止回球閥)。這與現有技術相反，現有技術由于其固定不變的增壓和減壓而使得上述存儲腔被認為是能量浪費區域。在本發明中，增壓的燃料存儲是通過利用止回閥M，該止回閥M在增壓器再循環時防止了增壓燃料壓力的減壓。而作為替代方案，噴射可以通過針控制閥40進行控制。因此，所述加壓驅動流體可以持續作用在增壓器活塞沈上，直至該增壓器開始到達其行程極限后而使得所述增壓器再循環為止。 這允許經由所述增壓器增壓的基本所有的燃料(包括存儲在存儲區50和大通量開口內的燃料以及仍處于柱塞洲下方的增壓器內的燃料)均可以用于噴射，典型地在多個連續的噴射動作過程中用于噴射。所述增壓器僅需按照要求的準則而不是基于每次噴射動作進行再循環。用于控制噴射的電子控制系統也可以跟蹤每次噴射動作噴射的燃料量，并在需要時使得所述增壓器再循環。在發動機空轉或低功率設置過程中，所述增壓器僅需要在多次噴射動作后進行再循環。即使在最大功率設置時，優選地，提供的存儲燃料量也足以供多次噴射動作噴射。這能夠在所述增壓器再循環過程中允許噴射有效進行，即使會伴隨著噴射壓力的暫時下降。在發動機從低功率設置調整到高功率設置時這是有用的，其中在所述低功率設置，具有增壓壓力的燃料足以供進一步的多次噴射，而所述高功率設置則需要噴射比存留在柱塞觀下方的燃料更多的燃料。即使在固定功率設置時，這也能夠在噴射動作過程中允許所述增壓器在再循環之前接近其行程極限。根據相對容量的大小，所述增壓器開始時可能需要循環多次，以充分地對所述存儲區50內的燃料增壓。可選擇地，可以采用傳感器(例如霍爾效應傳感器)檢測當所述增壓器到達或接近其行程極限時以觸發所述增壓器再循環，而不論噴射發生與否，或是在噴射動作之間。作為另一個可選擇的實施方式，所述增壓器的排量可以小于在最大發動機功率時噴射動作過程中的燃料噴射量，而在最大功率時所述增壓器則在噴射動作之間或噴射動作過程中操作多次。本發明提供了所有的優點并消除了燃料管道處于高噴射壓力下的缺點。在此方面，優選地，燃料存儲總量，即所述增壓器加上所述開口和存儲區50內的存儲量，小于在噴射器噴頭斷裂時傾瀉到所述氣缸內而在發動機氣缸內形成液壓卡緊的燃料量。此外，所述存儲量不應大到損害所述噴射器的結構整體性。當然，盡管出于設定本發明環境的目的而公開了直接針閥控制的一個典型實施方式，但是基本上任何形式的直接針閥控制均可以采用。另外，盡管止回閥M顯示為球閥，但是其它形式的止回閥也可以采用。文中公開的噴射器的典型實施方式也可以采用增壓器驅動流體以進行直接針閥控制。可選擇地，增壓燃料壓力可以用于進行直接針閥控制。但是，由于在增壓作用下閥門操作困難，因此這不是優選的。當然，基本上直接針閥控制的任何方法均可以用于本發明， 無論采取何種形式，由于本發明結合了直接針閥控制以及存儲增壓燃料的性能，因此其均能夠提供了本發明的性能和效率特性。現在參照圖3，從中可以看到本發明的一種可選實施方式。該實施方式的功能與上述實施方式相同，但是其具有更便利的機械布置結構。圖3的實施方式包括針20、大容積存儲區50以及位于針20與存儲區50之間的大通量開口 52。但是，圖3和圖1的實施方式之間的主要區別在于所述增壓器(intentsifer)和直接針閥控制的總體布置。具體地，針控
7制銷56和針控制銷58沿所述噴射器的軸線向上延伸到直接針閥控制活塞62，該直接針閥控制活塞62鄰近于所述噴射器的頂部。在圖3的實施方式中，增壓器活塞沈’與針控制銷58同心，并操作多個柱塞銷60。 在一種實施方式中，該實施方式包括三個柱塞銷，該三個柱塞銷均垂直于存儲腔50并通過圖中未顯示的開口通到所述存儲區50。所述柱塞銷60之間為輔助存儲區64，這些輔助存儲區也垂直于所述存儲區50。該實施方式中的上針控制銷50由相對較輕的彈簧66激發到該上針控制銷56最下方的位置，彈簧66與另一個增壓器活塞26’的復位彈簧68相比相對較輕。本領域公知地，柱塞銷60的復位通過在柱塞銷60下方形成的燃料壓力來實現，所述燃料壓力由壓力相對較低的增壓燃料源經由球閥形成，該球閥隨后對增壓燃料壓力密封。圖3的實施方式的操作如下。加壓的發動機機油經由開口 70輸送到小滑閥72 (如圖示意性顯示)和大滑閥74(也如圖示意性顯示)。該兩個滑閥72和滑閥74優選地為三通閥。滑閥72提供直接針閥控制，當通過開口 70將所述發動機機油輸送到所述活塞62的頂部時，使得針20向下壓靠到針閥座上，以使得針閥座對增壓燃料密封。從而，如前所述， 滑閥74可以用于將發動機機油通過開口 70輸送到增壓器活塞沈’的頂部，以增強燃料壓力，典型地在多次噴射過程中通過針控制滑閥72的控制以保持增壓操作。當增壓器活塞 26’接近其行程范圍的底部時，驅動滑閥74切斷開口 70與增壓器活塞沈’頂部之間的發動機機油通路，并且轉而使得增壓器活塞沈’上部的區域與出口或低壓油箱連通，一般是直接或間接地使得增壓器活塞26’上部的區域返回連通到發動機曲軸箱。在此過程中，當所述增壓器循環以對另外的填充燃料進行增壓時，優選在噴射動作之間，采用與圖1的球閥M 類似的球閥使得剩余的增壓燃料保持增壓壓力。本發明優選的操作方法是在噴射動作的整個過程中操作所述增壓機構，并僅在噴射動作之間使得所述增壓器再循環。其具有的優點在于在噴射動作過程中維持最大的壓力和均勻的壓力，并在噴射器操作過程中提供最大的霧化作用和重復一致性。因此，本發明的一個方面在于其通過在對另外的填充燃料增壓之前在加壓壓力下使用(噴射)全部或基本全部的增壓燃料，從而能夠非常顯著地減少現有技術增壓器式燃料噴射器及其操作方法的能量損失。這允許一次單獨的增壓供多次噴射動作(多個燃燒循環過程中的噴射)使用，特別是在低發動機功率設置時，其中對一次噴射動作中的未使用的大量增壓燃料進行降壓(減壓)和再增壓是特別浪費增壓所耗費的大量能量的。盡管出于闡述而非限制的目的在此處公開和描述了本發明特定的優選實施方式， 但是本領域技術人員應當理解的是，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，可以在形式和細節上對本發明進行多種變化。
權利要求
1.一種增壓器式燃料噴射器，該增壓器式燃料噴射器包括 針閥室；位于所述針閥室內的針，該針具有阻斷燃料噴射的第一位置和允許燃料噴射的第二位置；增壓器，該增壓器具有增壓器活塞和至少一個增壓器柱塞，以響應增壓器驅動流體壓力來增加燃料壓力；第一閥門，該第一閥門連接為控制所述增壓器活塞上方的增壓器驅動流體； 第二閥門，該第二閥門響應針驅動流體而可控制地 克服所述針閥室內的增壓燃料壓力而將所述針保持在所述第一位置，或響應所述針閥室內的增壓燃料壓力而允許所述針朝向所述第二位置移動； 至少一個增壓燃料存儲腔，該至少一個增壓燃料存儲腔與所述針閥室連通；以及止回閥，該止回閥連接為允許燃料從所述增壓器柱塞流動到所述針閥室和所述至少一個增壓燃料存儲腔，并阻斷所述燃料沿相反方向流動。
2.根據權利要求1所述的燃料噴射器，其中，所述增壓器柱塞的數量為一個，所述增壓器活塞和所述增壓器柱塞均與所述針同軸。
3.根據權利要求2所述的燃料噴射器，其中，所述第二閥門位于所述增壓器的一側。
4.根據權利要求1所述的燃料噴射器，其中，所述增壓器驅動流體和所述針驅動流體來自于相同的驅動流體源。
5.根據權利要求4所述的燃料噴射器，其中，所述驅動流體為發動機機油。
6.根據權利要求1所述的燃料噴射器，該燃料噴射器還包括針控制活塞，該針控制活塞具有在該針控制活塞的第一表面上的針驅動流體壓力，以驅使所述針朝向所述第一針位置移動，所述第二閥門控制在所述針控制活塞的與所述第一表面相對的第二表面上的針驅動流體壓力，當在所述針驅動活塞的第一表面和第二表面上的針驅動流體壓力相等時，所述針閥室內的增壓燃料壓力使得所述針朝向所述第二位置移動。
7.根據權利要求6所述的燃料噴射器，其中，所述增壓器柱塞的數量為一個，所述增壓器活塞、所述增壓器柱塞以及所述針控制活塞均與所述針同軸。
8.根據權利要求7所述的燃料噴射器，其中，所述針控制活塞位于所述增壓器柱塞與所述針之間。
9.根據權利要求8所述的燃料噴射器，其中，所述第二閥門位于所述增壓器的一側。
10.根據權利要求9所述的燃料噴射器，其中，所述增壓器驅動流體和所述針驅動流體來自于相同的驅動流體源。
11.根據權利要求1所述的燃料噴射器，該燃料噴射器還包括彈簧，該彈簧在所述增壓器驅動流體和所述針驅動流體未受壓時驅動所述針移動到所述第一位置。
12.根據權利要求1所述的燃料噴射器，其中，所述至少一個增壓燃料存儲腔包括位于所述增壓器柱塞與所述針閥室之間的至少一個環形腔。
13.根據權利要求1所述的燃料噴射器，該燃料噴射器還包括多個增壓器柱塞，其中，所述增壓器與所述針同軸，并且所述增壓器柱塞圍繞所述增壓器活塞和所述針的軸線布置。
14.根據權利要求13所述的燃料噴射器，該燃料噴射器還包括針控制活塞；所述第二閥門控制在所述針控制活塞的表面上的針驅動流體壓力，以在針驅動流體壓力作用在所述針控制活塞的所述表面上時，使得所述針移動到所述第一位置，并且在針驅動流體壓力不作用在所述針控制活塞的所述表面上時，使得所述針閥室內的壓力迫使所述針朝向所述第二位置。
15.根據權利要求14所述的燃料噴射器，其中，所述增壓器活塞、所述針控制活塞和所述針同軸，并且所述增壓器活塞位于所述針控制活塞和所述針之間。
16.根據權利要求14所述的燃料噴射器，其中，所述針控制活塞通過與所述增壓器活塞同心并穿過該增壓器活塞的至少一個針控制銷來控制所述針。
17.根據權利要求14所述的燃料噴射器，其中，所述增壓器驅動流體和所述針驅動流體來自于相同的驅動流體源。
18.在發動機中操作增壓器式燃料噴射器的方法，在該發動機中，所述增壓器式燃料噴射器具有響應驅動流體壓力的增壓器活塞和位于柱塞缸內的至少一個增壓器柱塞，該至少一個增壓器柱塞能夠沿第一方向移動，以增強燃料壓力，并且在所述驅動流體壓力從所述增壓器活塞上去除時所述至少一個增壓器柱塞能夠沿第二方向移動，以在所述柱塞沿第二方向移動時在所述柱塞缸內重新填充用于增壓的燃料，所述增壓器柱塞具有有限的行程， 所述方法包括使得所述燃料噴射器的針保持關閉；使用所述增壓器對所述針閥室內的環繞所述針的燃料以及所述燃料噴射器中的至少一個增壓燃料存儲腔內的燃料進行增壓；當所述柱塞缸重新充滿燃料時，防止增壓燃料從所述針閥室和所述至少一個增壓燃料存儲腔流出；以及可控制地打開所述針，以進行燃料噴射。
19.根據權利要求18所述的方法，該方法還包括a)在所述增壓器活塞上保持驅動流體壓力，直到所述增壓器柱塞沿著所述第一方向接近該增壓器柱塞的行程極限；b)然后重新填充所述柱塞缸；以及c)重復步驟a)和步驟b)。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，在多次噴射動作過程中，重復進行一次步驟a) 和步驟b)。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，在步驟a)中，至少部分地通過保持跟蹤在先噴射動作中噴射的燃料量，來檢測所述增壓器柱塞接近該增壓器柱塞的沿所述第一方向的行程極限。
22.根據權利要求20所述的方法，其中，在所述步驟a)中，至少部分地通過檢測所述增壓器柱塞的位置，來檢測所述增壓器柱塞接近該增壓器柱塞的沿所述第一方向的行程極限。
23.根據權利要求20所述的方法，其中，所述步驟b)發生在噴射動作之間。
24.根據權利要求20所述的方法，其中，所述步驟b)有時發生在所述噴射動作過程中， 在所述柱塞缸重新充滿燃料時，通過防止增壓燃料從所述針閥室和所述至少一個增壓燃料存儲腔流出，以及通過所述燃料的可壓縮性，來保持所述針閥室內和所述至少一個增壓燃料存儲腔內的噴射壓力。
全文摘要
具有增壓燃料存儲腔的燃料噴射器以及操作具有該燃料噴射器的發動機的方法。在所述增壓器式燃料噴射器內的設置有至少一個存儲腔(50)，當增壓器柱塞缸內重新填充燃料時，通過增壓器與針閥室之間的止回閥(54)以及存儲腔(50)防止噴射壓力損失。通過消除壓縮、開放以及再壓縮噴射燃料的能量浪費，這提供了非常有效的噴射器操作，特別是在低發動機負荷時更有效。本發明公開了多種噴射器設計以及在發動機中操作該噴射器的方法。
文檔編號F02M59/46GK102159825SQ200980136227
公開日2011年8月17日 申請日期2009年7月15日 優先權日2008年7月15日
發明者O·E·斯德曼 申請人:斯德曼數字系統公司