专利名称：具有带凹部的止回顶端的燃料喷射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料喷射器，更特别地，涉及一种具有带凹部的止回 顶端的燃料喷射器。
背景技术：
共轨燃料系统通常利用多个封闭喷嘴燃料喷射器向发动机的燃烧室喷 射高压燃料。这些燃料喷射器都包括具有柱状孔的、带有喷嘴供给通道和 喷嘴出口的喷嘴组件。止回针阀可在柱状孔中往复运动，并被偏压向喷嘴 出口被阻断的位置。为喷射燃料，可选择性地使止回针阀移动以打开喷嘴 出口，从而允许来自喷嘴供给通道的高压燃料喷射到燃烧室中。
在打开位置与关闭位置之间移动止回针阀的一种方式包括排干和填充 与止回针阀的底部相关的控制腔。特别地，可为控制腔填充加压流体以将 止回针阀保持在关闭位置，和选择性地排出加压流体以朝向打开位置偏压 止回针阀。当处于打开位置时，通过止回针阀的底部阻止加压燃料流向控 制腔，从而使在向低压贮存器排出加压燃料方面的损失最小化。
这种燃料喷射器布置的一个问题在于效率。特别地，尽管阻止加压燃 料流入控制腔会4吏损失最小化，但由于止回针阀的底部不会完全阻断加压 燃料流入控制腔，所以仍会有一些燃料被排出到低压贮存器。发动机制造 商用于减小这种加压燃料损失和改^目关的发动机效率的方法包括改变止
回针阀底部的形状以更好地密封控制腔。在于1996年1月30日授予Zuo 的美国专利No. 5,487,508 ('508专利)中描述了改变止回针岡底部的一个 例子。'508专利公开了一种燃料喷射器喷嘴和尖端组件，该组件包括限定 一腔室的、在一端具有喷射孔口而另一端具有控制接口的止回壳体。在所
述腔室中设置有一止回针阀，该止回针阀在一端具有用于阻断孔口的末端， 而在另一端具有用于阻断控制接口的控制接口止回件。控制接口止回件是 锥形的，用以安放在控制接口的具有互补形状的座上。
尽管'508专利的燃料喷射器喷嘴可通过改变控制接口止回件的几何结 构来减小加压燃料的损失和提高有关的发动机效率，但这也是存在问题且 代价昂贵。例如，由于控制接口止回件和控制接口的座面是锥形的并设计 成彼此接合，即使两个表面有微小地不对齐也会导致加压燃料的泄露。另 外，两上锥形座面制造困难且成本高。
本发明的燃料喷射器解决了 一个或多个上述问题。
发明内容
本发明一方面涉及一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括具有第一端和 第二端的喷嘴件。燃料喷射器的第一端具有至少一个孔口。燃料喷射器还 包括控制腔，该控制腔朝向喷嘴件的第二端设置，并具有大致垂直于喷嘴 件的轴向方向的端壁部分。燃料喷射器还包括设置在控制腔的端壁部分中 的接口和经由接口与控制腔流体连通的至少一个通道。燃料喷射器还包括 具有末端和基部端的针阀元件。所述末端构造成选择性地阻断燃料流过所 述至少一个孔口。所述基部端部包括构造成盖住接口的凹部。
本发明另一方面涉及一种向发动机的燃烧室喷射燃料的方法，该方法 包括经由接口流体地连通与喷嘴件有关的控制腔。该方法还包括选择性地 移动针阀元件以阻断通过接口的流体连通，和当通过接口的流体连通,皮阻 断时将燃料保持在针阀元件内。
图l是示例性公开的燃料系统的示意图2是示例性公开的用于图l的燃料系统的燃料喷射器的剖面图3A是示例性公开的用于图2的燃料喷射器的止回针阀结构的细部
剖面图3B是另一示例性公开的用于图2的燃料喷射器的止回针阀结构的 细部剖面图4是示例性公开的用于图1的燃料系统的可选燃料喷射器的剖面图；
具体实施例方式
图1示出具有发动机10和燃料系统12的示例性实施例的机械5。机 械5可以是执行与例如采矿、建筑、农业、发电、运输或现有技术中已知 的其它行业相关的某种操作的固定式机械或移动式机械。例如，机械5可 具体是运土机械、发电机组、泵、或其它任何合适的执行某种操作的机械。
为本发明的目的，所描述的发动机10是四冲程柴油机。然而，本领域 的技术人员会意识到，发动机10可以是任何其它类型的内燃机，例如汽油 机或气体燃料动力的发动机。发动机10可包括至少部分地限定出多个气缸 16的发动机机体14、可滑动地设置在各气缸16内的活塞18、以及与各气 缸16有关的气釭盖20。
气缸16、活塞18和气缸盖20可形成燃烧室22。在所示的实施例中， 发动机IO包括6个燃烧室22。然而，可设想发动机10可包括更多或更少 的燃烧室22，燃烧室22可布置成"直列式"构型或"V形"构型，或任 何其它合适的构型。
如图1所示，发动机10可包括可旋转地设置在发动机机体14内的曲 轴24。连杆26可将各活塞18连接到曲轴24,以使得活塞18在各气缸16 内的的滑动运动引起曲轴24的旋转。相似地，曲轴24的旋转可引起活塞 18的滑动运动。
燃料系统12可包括协同作用以向各燃烧室22分送加压燃料射流的部 件。具体地，燃料系统12可包括设计成保持燃料供给的箱28和设计成为 燃料加压并通过共用轨道34将加压的燃料供给到多个燃料喷射器32的燃 料泵组件30。可设想，如需要，可在燃料系统12中也可包括附加的或不 同的部件，例如燃料滤清器、水分离器、补偿阀、安全阀、先导阀和能量 再生/回收装置。
燃料泵组件30可包括一个或多个泵送装置，所述泵送装置作用使得从 箱28抽出的燃料的压力增加，并将一股或多股加压的燃料流引导到共用轨 道34。在一个示例中，燃料泵组件30包括通过燃料管路40流体地串联连 接的低压源36和高压源38。低压源36可具体是设计成为高压源38提供 低压供给的输送泵。高压源38可以是设计成接受低压供给并使燃料压力增 加到约30-300MPa的范围内。高压源38可以通过燃料管路42与共用轨道 34相连接。可在燃料管路42中设置止回阀44，以使燃料从燃料泵组件30 向共用轨道34单向流动。
低压和高压源36、 38中一个或二者可操作地与发动机10相连接并由 曲轴24驱动。低压和/或高压源36、 38可以以本领域的技术人员熟知的方 式与曲轴24相连接，使得曲轴24的旋转引起泵驱动轴的相应的旋转。例 如图1中示出的高压源38的泵驱动轴46通过(齿)轮系/传动机构48与 曲轴24相连接。然而可设想，低压和高压源36、 38中一个或二者或者可 以电力地、液压地、气动地或以其它任何合适的方式来驱动。
在气缸盖20中可设置有燃料喷射器32，该燃料喷射器32通过多个分 配管路50与共用轨道34流体地连接。各燃料喷射器32可操作成在预定的 时刻、燃料压力和燃料流率下喷射一定量的加压的燃料到有关燃料室22 中。向燃料室22中的燃料喷射的时刻可与活塞18的运动同步。例如，可 在压缩沖程期间在活塞18接近上止点位置时喷射燃料，以允许所喷射燃料 的压缩-点火燃烧。或者，可在活塞18朝向上止点位置运动、开始压缩冲 禾呈时喷射燃料，以进4亍均质充量压缩点火(homogenous charge compression ignition)操作。燃料也可以在膨胀冲程期间当活塞18从上止点位置向下 止点位置移动时被喷射，以进行后喷射，以便产生用于后处理再生的还原 环境。
如图2所示，各燃料喷射器32可具体是封闭喷嘴单元燃料喷射器。具 体地，各燃料喷射器32可包括容纳有导向件54、喷嘴件56、螺线管致动 器59和针阀元件58的喷射器本体52。可设想，各燃料喷射器32可具体 是加强的或非加强的共轨喷射器，如需要还包括与图2中所示的部件相比
附加的或不同的部件，例如附加的螺线管致动器、压电致动器和附加的阀 元件。
喷射器本体52可以是设计成用于组装在气缸盖20内的柱状件。喷射 器本体52可具有用于接纳导向件54和喷嘴件56的中心孔60和喷嘴件56 的末端64可穿过其中突出的开口 62,可在导向件54与喷嘴件56之间设 置密封件(例如O形环(未示出))，以阻止燃料从燃料喷射器32泄露。
导向件54也可以是具有中心孔68和控制腔71的柱状件，所述中心孔 68设计成用于接纳针阀元件58。中心孔68可用作保持从燃料供给通道70 供给的加压燃料的压力腔。在喷射期间，来自分配管路50的加压燃料可流 动穿过燃料供给通道70和中心孔68到达喷嘴件56。
可选择性地将加压的燃料排出或供给到控制腔71。具体地，控制腔71 和螺线管致动器59可流体地连接控制通道73，以用于排空和填充控制腔 71。也可以经由供给通道77和接口 78向控制腔71供给加压的燃料，该接 口 78与针阀元件58沿轴向对齐，并与燃料供给通道70相连通。接口 78 的直径可小于控制通道73和供给通道77的直径，以允许在从控制通道73 排出加压的燃料时在控制腔71中的压力降。
相似地，喷嘴件56可以是具有设计成接纳针阀元件58的中心孔72 的柱状件。喷嘴件56也可包括一个或多个孔口 80,以允许来自中心孔68 的加压燃料喷射到发动机10的相关的燃烧室22中。
螺线管致动器59可设置成与喷嘴件56的孔口 80相对，以控制燃料流 入或流出控制腔71。特别地，螺线管致动器59可包拾没置在位于控制腔 71与箱28之间的控制通道73中的三位比例岡元件106。比例阀元件106 可以;故弹簧偏压、并由螺线管致动以在第一位置、第二位置与第三位置之 间移动，其中，在第一位置处允许燃料从控制腔71流入箱28，在第二位 置处加压的燃料从分配管路50流过控制通道73进入控制腔71中，在第三 位置处阻断燃料流过控制通道73。比例阀元件106的在第一、第二和第三 位置间的位置可确定燃料通过控制通道73的流率以及流动方向。比例阀元 件106可以响应于施加到与比例阀元件106有关的螺线管108的电流而移
动到第一、第二和第三位置间的任何位置。可设想，比例阀元件106或者 可由液压致动、机械致动、气动致动或以任何其它合适的方式来致动。也 可设想比例阀元件也可以是非比例的两位阀元件，如需要，该元件可仅在 控制腔排空位置与控制腔填充位置之间或仅在控制腔排空位置与阻断位置 之间移动。
针阀元件58可以是滑动地设置在导向件54和喷嘴件56内的长形的柱 状元件。针阀元件58可在第一位置与第二位置之间沿轴向移动，其中，在 第一位置处，针阀元件58的末端82阻断燃料流过孔口 80,在第二位置处， 孔口 80打开以使燃料流入燃烧室22。
针阀元件58通常可被偏压向第一位置。特别地，如图2可见，各燃料 喷射器32可包拾没置在导向件54的止挡部92与针阀元件58的座面94 之间、以朝向孔口阻断位置沿轴向偏压末端82的弹簧卯。可在弹簧90与 止挡部92之间设置第一分隔件96,在弹簧90与座面94之间设置第二分 隔件98，以减小燃料喷射器32内的部件的磨损。
针阀元件58可具有多个传动液压表面。特别地，针阀元件58可包括 用于当,皮控制腔71中的加压燃料作用时朝向第一或孔口阻断位置驱动针 阀元件58的液压表面100,以及用于反向偏压弹簧90和沿相反方向向第 二或孔口打开位置驱动针阀元件58的液压表面104。当被偏压向第二位置 时，针阀元件58可构造成盖住供给通道77。具体地，针阀元件58的基部 端110可包括具有环形边缘114的凹部112，该边缘114构造成在针阀元 件58移动到第二位置时与控制腔71的端壁部分116相接合。边缘114与 端壁部分116的接合可基本上阻断加压流体从供给通道77流入控制腔71。
如图3A的放大图所示，凹部112可以是凹面，且内径"D"大于接口 78的内径"d"。如图3A中所示，凹部112的高度可由字母"H"表示。 凹部112的尺度可设计成使得由针阀元件58的关闭运动引起的凹部112 内的压力形成可能不足以致使针阀元件58跳离端壁部分116。在一个示例 中，由位于凹部112内、在接口 78下方、具有高度"H"和直径"d"的 假想的柱体限定的环形表面积可以是接口 78的横截面积的四倍。为提供这
种需要的关系，凹部112的高度可设定成接近接口 78的直径(即H=d)。 针阀元件58的一可选实施形式在图3B的放大图中示出。与图3A的 针阀元件58相似，图3B的针阀元件58包括构造成盖住供给通道77的凹 部112。然而，与图3A的凹部112不同，图3B的凹部112可以是柱形形 状的。
图4示出燃料喷射器32的一可选实施例。与图2的燃料喷射器32相 似，图4的燃料喷射器32包括喷射器本体52、导向件54、喷嘴件56和针 阀元件58，形成具有供给和控制通道77和73的控制腔71。然而，与图3 的燃料喷射器32不同，供给和排出通道位置改变，其中凹部112设计成盖 住控制通道73而不是供给通道77。
工业适用性
本发明的燃料喷射器可广泛应用于包括例如柴油机、汽油机和气体燃 料动力的发动机在内的各种不同类型的发动机中。本发明的燃料喷射器可 应用到任何使用加压燃料系统的发动机中，其中，有利地使在有意识地排 空控制腔期间加压燃料向燃料喷射器的控制腔的泄露最少。下面说明燃料 喷射器32的工作。
由流体压力导致的不平衡力会使针岡元件58移动。例如，当针阀元件 58处于笫一或孔口阻断位置时，来自燃料供给通道77和73的加压燃料会 流入控制腔71中，以作用在液压表面100上。同时，在喷射前，来自燃料 供给通道70的加压燃料可流入中心孔68。弹簧90的力与液压表面100处 产生的液压力相结合可能会大于在液压表面104处产生的相反的力，从而 使针阀元件58保持在第一位置并阻止燃料流过孔口 80。为打开孔口 80并 开始从中心孔68向燃烧室22喷射加压燃料，螺线管致动器59可使比例阀 元件106移动，以选择性地从控制腔71和液压表面100排出加压燃料。作 用在液压表面100上的压力的这种降低可允许作用在液压表面104上的相 反的力克服弹簧卯的偏压力，从而朝向孔口打开位置移动针阀元件58。
当针阀元件58位于第一或孔口打开位置时，加压燃料通过燃料供给通
道77向控制腔71的任何泄露都会降低发动机10的效率。因此，为提高发 动机10的效率，针阀元件58的边缘114可与控制腔71的端壁部分116 相接合并在二者之间形成密封，这种密封会使泄露的可能性最小。因为针 阀元件58包括凹部112，所以由针阀元件58的关闭运动引起的压力形成 可由凹部112吸收并保持在该凹部112中，从而使针阀元件58跳离端壁部 分116的可能性最小化。
因为边缘114可接合在端壁部分116的几乎任何位置处并仍形成希望 的密封，所以针阀元件58与接口 78不对齐也无关紧要。另外，因为边缘 114与端壁部分116的配合表面基本是平的，所以制造燃料喷射器32所需 的制造过程可相对简单且廉价。
本领域的技术人员将能显见，可在不偏离本发明的范围的情况下对本 发明的燃料喷射器作出各种不同的修改和变型。在研究说明书并对说明书 中公开的燃料喷射器进行实施的情况下，本领域的技术人员会显见其它实 施方式。本说明书及所述示例仅用于示例目的，而本发明的真实范围由所 附权利要求及其等同方案表示。
权利要求
1. 一种燃料喷射器(32)，包括喷嘴件(56)，该喷嘴件(56)具有含至少一个孔口(80)的第一端(64)和第二端；控制腔(71)，该控制腔(71)朝向喷嘴件的第二端设置，并具有大致垂直于喷嘴件的轴向方向的端壁部分(116)；接口(78)，该接口设置在控制腔的端壁部分中；至少一个通道(77)，该通道(77)经由接口与控制腔流体连通；针阀元件(58)，该针阀元件包括构造成选择性地阻断燃料流过所述至少一个孔口的末端(82)；和具有凹部(112)的基部端(110)，所述凹部构造成用于盖住所述接口。
2. 根据权利要求l所述的燃料喷射器，其特征在于，所述至少一个 流体通道构造成用于选择性地从控制腔排出燃料。
3. 根据权利要求l所述的燃料喷射器，其特征在于，所述至少一个 流体通道构造成用于选择性地向控制腔供给燃料。
4. 根据权利要求1所述的燃料喷射器，其特征在于，所述凹部是凹 面形状的。
5. 根据权利要求l所述的燃料喷射器，其特征在于，所述凹部是柱 形形状的。
6. —种向发动机(10)的燃烧室(22)喷射燃料的方法，该方法包括为燃料加压；经由接口 (78)流体地连通与喷嘴件(56)相关的控制腔(71); 选择性地移动针阀元件以阻断流体连通；和 当燃料连通被阻断时将燃料保持在针阀元件内。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，保持燃料包括将燃料 保持在针阀元件的凹部(112)内。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述凹部是凹面形状的。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述凹部是柱形形状的。
10. —种机械(5 )，包括构造成用于产生动力输出并具有至少一个燃烧室(22 )的发动机(10 ); 加压燃料源(30);和根据权利要求1至5中任一项所述的燃料喷射器(32 ),该燃料喷射 器(32)构造成用于将经加压的燃料喷射到所述至少一个燃烧室中。
全文摘要
本发明涉及一种用于机械(10)的燃料喷射器(32)。该燃料喷射器包括具有第一端(64)和第二端的喷嘴件(56)。燃料喷射器的第一端具有至少一个孔口(80)。燃料喷射器还包括控制腔(71)，该控制腔(71)朝向喷嘴件的第二端设置，并具有大致垂直于喷嘴件的轴向方向的端壁部分(116)。燃料喷射器还包括设置在控制腔的端壁部分中的接口(78)和至少一个通道(77)，所述通道(77)经由接口与控制腔流体连通。燃料喷射器还包括具有末端(82)和基部端(110)的针阀元件(58)。所述末端构造成用于选择性地阻断燃料流过所述至少一个孔口。所述基部端包括构造成用于盖住接口的凹部(112)。
文档编号F02M59/36GK101395365SQ200780007094
公开日2009年3月25日 申请日期2007年1月24日 优先权日2006年2月28日
发明者D·H·吉布森, 孙金辉, 康海军 申请人:卡特彼勒公司