专利名称：阀构件的气蚀侵蚀减少策略以及利用该策略的燃料喷射器的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及燃料喷射器中的气蚀(cavitation)侵蚀减少策略，并 且尤其涉及结合该气蚀侵蚀减小策略的燃料喷射器的阀构件。
背景技术：
大多数燃料喷射器包括一个或多个电子控制阀，该电子控制阀打开和 关闭各种燃料通路以有助于对燃料喷射事件的控制。 一种这样的燃料喷射 器通常被称为机械致动的、电子控制的单元喷射器(MEUI),其利用电 子控制阀以精确控制燃料喷射器中的燃料被加压的定时。特别地，旋转凸 轮定期推进柱塞以给燃料加压室中的燃料加压，但是直到溢流阀闭合之前， 压力不会升高。如果在柱塞冲程期间溢流阀闭合，燃料压力迅速升高，随 后喷嘴出口打开，以执行喷射事件。例如在共有的美国专利6349920中示 出了这种燃料喷射器的溢流阀。MEUI燃料喷射器的稍后的发展添加了第 二电子控制阀，以稍微独立于通过溢流阀实现的燃料加压事件来控制喷嘴 出口的打开和闭合。
已知为气蚀的现象有时在燃料喷射器中的意想不到的位置处发生。此 外，气蚀损伤在一些情况下可能导致过早的燃料喷射器故障，而不是在限 定通过燃料喷射器的燃料通路的各内表面上的简单的磨损和撕裂。燃料喷 射器受到气蚀损伤的一个常见位置是在阀构件上。气蚀气泡的破裂可最终 侵蚀阀构件上的环形表面，并且可影响该阀构件的操作、燃料喷射器的操 作以及发动机的操作。由于气蚀侵蚀产生可能在燃料系统的移动部件中造 成擦伤和咬死的小金属颗粒，因此气蚀侵蚀也是不希望的。
不幸的是，对燃料系统建模以预测气蚀的发生以及由于气蚀造成的损伤的可能的幅度以及它们各自的位置已证明是极端困难的。因此，用于避 免一些气蚀损伤问题的计算机辅助设计策略是不实际的，这是因为可用于 模拟各种不同的设计形状并且评估该设计形状的可能的气蚀损伤的建模工
具不能精确和可靠地预测一些气蚀损伤问题。因此，工程师有时在各种设 计替代方案中使用简单的实验和误差，以便解决可能的气蚀损伤的问题。 本发明旨在克服上文所述的问题中的一个或多个问题。
发明内容
在一个方面，燃料喷射器包括喷射器体部，所述喷射器体部具有设置 在其中的燃料通道，所迷燃料通道由环形阀座部分地限定。电子控制阀包
括具有环形阀表面的阀构件，所述环形阀表面移动以与环形阀座接触和脱 离接触以便闭合和打开燃料通道。该环形阀表面限定了由该阀构件限定的 复合环面的一部分。
在另 一方面，用于燃料喷射器控制阀的阀构件包括具有通过其中的螺 紋钻孔的整体式金属体部，所述螺紋钻孔与圆柱形外表面同心。该圆柱形 外表面限定了复合环面。该复合环面的一部分也由环形阀表面限定，该环 形阀表面是该圆柱形外表面的一部分。
在又另 一方面， 一种用于减小燃料系统中的气蚀侵蚀的方法包括使燃 料喷射器操作足够数量的喷射循环以检测所述燃料喷射器的电子控制阀的 岡构件中的气蚀损伤。识别该阀构件上的气蚀损伤才莫式。在与所述气蚀损 伤模式相对应的区域中形成与所述阀构件相同的新的阀构件(除了该新的 阀构件限定与所述气蚀损伤模式相对应的附加的环面之外)。
图1是根据本发明的一个方面的燃料喷射器的侧视截面概略图； 图2是图1的燃料喷射器的溢流阀部分的放大局部视图； 图3是图2的溢流阀部分的阀构件的截面侧视图； 图4是倾向于气蚀损伤的阀构件的截面侧视图；图5是图3的阀构件的复合环面部分的放大视图；以及
图6是趋向于气蚀损伤的岡构件的气蚀损伤区域的放大视图。
具体实施例方式
参照图1，燃料喷射器10包括限定喷嘴出口 12和燃料进入/返回开口 13的喷射器体部11。凸轮驱动的柱塞15被定位成在喷射器体部11中移动 以使燃料移动到设置在喷射器体部11中的燃料通道18中。燃料溢流通道 20设置在喷射器体部11中，并且在燃料通道18和供给/返回开口 13之间 延伸。电子控制溢流岡22包括具有环形阀表面43的阀构件25 (图2 ), 该环形阀表面移动以与环形阀座29接触以及与环形阀座29脱离接触，以 便闭合和打开溢流通道20。阀构件25包括延伸通过其中的螺紋钻孔40, 该钻孔40与环形阀表面43同心。螺线管衔铁23经由螺紋紧固件24连接 到阀构件25，该螺紋紧固件24经由一组外螺紋41与阀构件25的螺紋40 配合。因此，当柱塞15被向下驱动以给燃料加压室17中的燃料加压时， 燃料可最初经由溢流通道20通过供给/返回开口 13向后移动。当给电子控 制阀22通电以移动环形阀表面43使之与环形阀座29接触时，溢流通道 20闭合，并且室17中的、因而在喷嘴室19中的燃料压力迅速升高至喷射 压力水平。
燃料喷射器10还包括电子针控制阀30,该阀30使针控制室33与燃 料通道18流体连接或断开。此电子针控制阀30包括与电子控制溢流阀22 分开的螺线管。在喷射事件期间，针控制室33与燃料通道18流体连接， 在直接控制针阀32的闭合液压表面34上的压力高，并且喷嘴12保持闭合。 当电子针控制阀30移动以关闭该流体连接时，针控制室33中的压力经由 到供给/返回开口 13的流体连接(未示出)而下降，使得直接控制针阀32 升高以打开喷嘴出口 12，假设喷嘴室19中的燃料压力足以按本领域中公 知的方式克服针偏压弹簧。
图2示出处于其向下闭合位置的阀构件25,其中环形阀表面43与环 形阀座29接触以闭合溢流通道20。当螺线管净皮断电时，偏压弹簧36作用在衔铁23上以向上推动阀构件25,以便打开环形阀座29。当发生此情况 时，溢流通道20经由复合环面26、衔铁室28和低压通道27流体连接到 供给/返回开口 13。复合环面26由优选地为整体式金属体的阀构件25限定。 在本发明的上下文中，复合环面指的是通到较大体积的环面的较小体积的 环面。因此，通常在柱塞15的向下移动期间通过给电子控制溢流阀22通 电以闭合环形阀座29启动喷射事件。然后，通过将电子针控制阀30移动 到释放针控制室33中的压力的位置来开始燃料喷射事件。可通过给针控制 室33重新加压，或者通过重新打开溢流控制阀22以释放喷嘴室19中的燃 料压力，来结束喷射事件。
现在参照图4和6,根据第一实施例的阀构件125包括由环形阀表面 143部分限定的单个大的环面126。尽管此设计对于气蚀工作良好，但是总 是存在改进的空间。在包括多个喷射循环的多个小时的操作之后，可在阀 构件125周围发生的气蚀可开始在位置110处(其位于回路的低压侧上) 根据模式111侵蚀环面126。在阀构件125周围出现的气蚀气泡被认为在 环形阀座29闭合之后不久形成。当发生此情况时，通过溢流通道20溢出 的流体的动量被认为具有水锤效果，因此在阀座29附近形成真空，并且流 动条件使得至少一些气蚀气泡在位置110处在阀构件125附近破裂。随着 时间过去，气蚀气泡的连续破裂可开始侵蚀阀构件125。如果侵蚀随着时 间继续进行，则侵蚀可最终突破到螺紋钻孔40中，使得电子控制溢流阀较 不能够完全闭合溢流通道20以允许在燃料喷射器中形成燃料压力。结果， 喷射器不能喷射燃料，并且相关联的发动机气缸可变冷。
为了使在燃料系统中的由气蚀侵蚀导致木>散的碎屑的量最小以及首先 使气蚀侵蚀的可能性最小，本发明构想了相当反直觉的解决方案。特别地， 本发明教导了通过在附近以与图6中示出的可能的气蚀侵蚀模式lll相关 联的幅度(形状和体积)添加环面例如环面45，可减小气蚀侵蚀，并且实 际上可避免气蚀侵蚀。换句话说，认为通过抢先除去否则将被气蚀最终侵 蚀的材料，可改变在阀构件周围的流动模式，从而气蚀气泡不再生成，或 者气蚀气泡在远离岡构件的位置处破裂，以使得在相关位置发生侵蚀的可能性最小，或者使得可能发生的任何侵蚀在燃料喷射器10中的比较不关键
的表面上发生。因此，基于教导抢先添加与可能的气蚀侵蚀模式lll相对 应的环面可实际加速气蚀侵蚀的常规常识，本发明中所公开的气蚀侵蚀最
小化策略实际上提供了令人惊讶的结果。诸如延长环面26或改变环面26 的轮廓的其他可能的解决方案也是可能的，但是这些解决方案被认为在降 低气蚀侵蚀的可能性方面的效果不太好。可影响气蚀侵蚀可能性的最小化 程度的因素可包括附加的小环面45的位置和大小。由于已知不存在用于预 测在燃料喷射器的溢流阀的相对复杂的流体流动环境中的气蚀侵蚀的可能 性的可靠建模工具，因此发现解决方案的一些实验可能是必需的。本发明 教导，开始寻找阀构件的可替代形状以使得在特定区域的气蚀侵蚀的可能 性最小的合适步骤是实际上抢先添加与可能的气蚀侵蚀模式111相对应的 环面45 (相对于阀构件的先前设计除去材料)。因此，在根据本发明的第 二实施例的阀构件中，阀构件25包括复合环面26,其具有通到大环面44 中的小环面45。
现在参照图3和5，根据第二实施例的阀构件25包括沿其长度延伸的 具有各种轮廓的对称圆筒形外表面，该各种轮廓包括邻近小直径区段46 的大直径区段47。复合环面26位于小直径区段46中，环形阀表面43位 于从小直径区段46到大直径区段47的过渡部。附加的环面48位于比小直 径区段46长的大直径区段47中。如图5中最好地示出，小环面45从大环 面26的中心偏离一距离d，但是该距离没有远至使得小环面45与限定环 形岡表面43的表面共用公共的壁区段。根据一个示例性实施例，小环面 45具有U形横截面，其可以是半圓形的，具有图5中所示的比例。但是， 本领域技术人员应理解，小环面45的位置、形状和大小可改变以实现令人 满意的结果。
工业适用性
本发明的教导涉及制造减小由气蚀造成的侵蚀的可能性的阀构件。本 发明发现了在阀构件的外表面上具有或可能具有气蚀侵蚀的任何燃料喷射器中的潜在应用。本发明发现了减小在机械致动电子控制单元喷射器的溢 流阀构件上的气蚀侵蚀的可能性的特定应用。因此，本发明还涉及减小在 燃料系统中引入金属碎屑的可能性，该金属碎屑会造成移动部件的擦伤和 咬死。本发明认识到关于气蚀侵蚀的问题常常难以使用当前可用的建模工 具预测，因此往往大部分问题是在燃料喷射器已投入生产并且已经运行许 多小时甚至可能数百万个喷射器循环之后才^J^现。因而，本发明也可涉 及这样的情况，即燃料喷射器已操作足够数量的喷射循环以检测燃料喷射 器的电子控制阀的阀构件上的气蚀侵蚀。
一旦注意到发生气蚀侵蚀，则可
识别阀构件125上的气蚀侵蚀模式111。例如，这可通过使多个燃料喷射 器操作足够数量的小时以显现所述多个燃料喷射器的阀构件之中的气蚀侵 蚀模式中的预期的幅度和变化来实现。可实现可替换的阀构件设计，除了 新的阀构件限定了与气蚀侵蚀模式相对应的附加环面外，该可替换的阀构 件设计在与气蚀侵蚀模式或可能的气蚀侵蚀模式相对应的区域与先前阀构 件设计基本相同。术语"对应"在此情况下指的是这样的概念，即附加环 面位于气蚀侵蚀才莫式被识别之处等等，并且附加环面的大小和形状可与在 数个时间段上观察到的平均气蚀侵蚀有关。换句话说，添加过小或者过大 的附加环面可能不会对气蚀侵蚀的可能性或者受到的实际气蚀侵蚀造成影 响。另外，不合适地放置添加的小环面也会造成这样的情况，即对气蚀侵 蚀的可能性或者对受到的气蚀侵蚀有很小的影响或者没有影响。
一旦气蚀侵蚀模式lll已被识别，则本发明建议，找到解决方案的第 一尝试可以是形成在气蚀侵蚀位置110处具有附加环面的新的阀构件，该 附加环面具有横截面形状、体积和位置的不同组合。然后，具有该新的阀 构件的新燃料喷射器应操作大约与当气蚀侵蚀在先前版本的阀构件上开始 或者可能开始的时间相对应的若干小时。本领域技术人员应认识到，可通 过升高流体温度来产生对于气蚀更有利的条件。这样可加速找到适合的设 计可替换方案的迭代处理。然后，可根据气蚀侵蚀准则给新的阀构件分类。 例如， 一些新的阀构件可能没有示出气蚀侵蚀的痕迹， 一些新的阀构件可 示出与一些有限的气蚀侵蚀有关的毛面，而其他新的阀构件可示出甚至比未修改的先前设计的阀构件更严重的气蚀侵蚀。利用此技术，在所需要的 一次或两次或更多次迭代中，可找到这样的附加环面的形状、位置和体积， 即其足以减,J、气蚀侵蚀问题从而可预计阀构件具有与根据燃料喷射器的其 他组件预测的使用寿命相似的量级的使用寿命。换句话说，具有带有添加 的环面的修改的或新的阀构件的燃料喷射器可预计相对于先前的版本具有 延长的寿命，这意味着在重新制造过程中，不必需在燃料喷射器的其他部 件被替换时替换阀。
在气蚀侵蚀在已经存在的环面中发生或者可能发生的特定情况中，本
发明教导，可添加通到大环面44的附加小环面45,以得到显著减小或者 消除气蚀侵蚀的可能性的复合环面26。尽管公开的气蚀减少策略可能不能 导致消除气蚀气泡，但是该策略可导致在被影响区域的流动模式改变，以 使得气蚀气泡在更可接受一定侵蚀的位置处破裂，或者在没有或者不太可 能发生气蚀侵蚀的位置处破裂。在本发明的情况下，可在与偏离大环面44 的中心的位置处的可能的气蚀侵蚀模式111相对应的位置处添加具有半圆 形横截面的U形的小环面45。
应理解，上述描述仅是说明性的，而不是意图以任何方式限制本发明 的范围。因此，本领域技术人员应理解，可通过对附图、本公开内容以及 所附权利要求的学习来获得本发明的其他方面。
权利要求
1.一种燃料喷射器，包括喷射器体部(11)，所述喷射器体部(11)具有设置在其中的燃料通道(18)，所述燃料通道(18)由环形阀座(29)部分地限定；电子控制阀，所述电子控制阀包括具有环形阀表面(43)的阀构件(25，125)，所述环形阀表面(43)移动以与环形阀座(29)接触和脱离接触以便闭合和打开燃料通道(18)；并且所述环形阀表面(43)限定了由所述阀构件(25，125)限定的复合环面(26)的一部分。
2. 根据权利要求l所述的燃料喷射器，其特征在于，所迷电子控制 阀是溢流阀，并且所述燃料通道(18)是溢流通道(20);柱塞(15 )被定位成在所述喷射器体部(11)中移动以使来自设置于 所述喷射器体部(11)中的燃料加压室(17)的燃料移动；并且所述溢流通道(20 )设置在所述喷射器体部(11)中，并且在所述燃 料加压室(17)与低压出口之间延伸。
3. 根据权利要求2所述的燃料喷射器，其特征在于，所述阀构件(25， 125 )包括延伸通过其中的螺紋钻孔，所述螺紋钻孔与所述环形阀表面(43 ) 同心；螺线管衔铁(23)经由与所述螺紋钻孔配合的螺紋紧固件(24)连接 到所述阀构件(25， 125)。
4. 根据权利要求3所述的燃料喷射器，其特征在于，所述复合环面 (26)包括通到大环面(44)的小环面(45);所述小环面(45)具有U形横截面；并且所述小环面(45)的中心偏离所述大环面(44)的中心。
5. 根据权利要求l所迷的燃料喷射器，其特征在于，所述复合环面 (26)包括通到大环面(44)的小环面(45)。
6. —种用于燃料喷射器控制阀的阀构件(25, 125),所述阀构件(25， 125)包括具有通过其中的螺紋钻孔的整体式金属体部，所述螺紋钻 孔与圆柱形外表面(42)同心；所述圓柱形外表面(42)限定复合环面(26);以及 所述复合环面(26)的一部分由环形阀表面(43)限定。
7. 根据权利要求6所述的阀构件(25， 125),其特征在于，所述 复合环面(26)由所述圆柱形外表面(42)的小直径区段(46)限定；附加的环面由所述圆柱形外表面(42)的大直径区段(47)限定； 环形阀座(29)位于从所述小直径区段(46)到大直径区段(47)的 过渡部。
8. 根据权利要求7所述的阀构件(25, 125)，其特征在于，所述 大直径区段(47)在比所述小直径区段(46)长的长度上延伸；所述复合环面(26)包括通到大环面(44)的小环面(45); 所述小环面(45)的中心偏离所述大环面(44)的中心；并且 所述小环面(45)具有U形横截面。
9. 一种用于减小燃料系统中的气蚀侵蚀的方法，包括以下步骤 使燃料喷射器操作足够数量的喷射循环以检测所述燃料喷射器的电子控制阀的阀构件(25， 125)中的气蚀损伤；识别所述阀构件(25， 125)上的气蚀损伤模式；除了限定与所迷气蚀损伤模式相对应的附加的环面之外，在与所述气 蚀损伤模式相对应的区域中形成与所述阀构件(25， 125)相同的新的阀构 件(25， 125)。
10. 根据权利要求9的方法，其特征在于，所述操作步骤通过多个燃 料喷射器执行；识别所述多个燃料喷射器中的气蚀损伤模式中的变化； 其中所述形成步骤针对具有附加的环面的多个新阀构件(25， 125) 执行，所述附加的环面具有横截面形状、体积和位置的不同组合；以及 操作具有新的阀构件(25， 125)的新燃料喷射器； 才艮据气蚀损伤准则对所述新的阀构件(25， 125)分类。
全文摘要
一种机械致动电子控制单元喷射器包括电子控制溢流阀(22)以精确控制燃料加压室(17)中的燃料加压的定时。当溢流阀构件(25，125)闭合以升高燃料喷射器中的燃料压力时，可在阀座的区域中产生气蚀气泡。此气蚀可在溢流阀构件(25，125)以及周围的喷射器体部(11)上造成侵蚀。为了先取得气蚀损伤，可将阀构件(25，125)修改为包括组合环面(26)，该组合环面(26)包括对应于被识别的气蚀损伤模式的小环面(45)。尽管气蚀气泡的生成在这种策略之后可继续进行，但是通过该先取得气蚀减少策略，可减少或者消除气蚀侵蚀以及进入燃料系统中的相关联的金属颗粒的释放。
文档编号F02M57/02GK101627205SQ200880007278
公开日2010年1月13日 申请日期2008年2月27日 优先权日2007年3月6日
发明者D·R·科尔德伦, J·J·穆勒, S·R·刘易斯, V·I·雅各布 申请人:卡特彼勒公司