用于控制流体流动的电磁致动器和方法

专利名称：用于控制流体流动的电磁致动器和方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于控制流体流动的方法和设备，特别地涉及通 过电万兹致动器控制流体流动的方法和设备。
背景技术：
电磁致动器常用于控制向内燃机中注入燃料。在一例子中，燃料被输 送到燃料喷射器的增压室中，柱塞(响应凸轮机构的转动而移动)向来自 增压室的燃料施加压力。当燃料喷射器中的电磁螺线管通电时， 一连接增 压室与低压油箱的控制岡关闭，来自增压室的燃料被压向燃料喷射器的尖 端、经过燃料喷嘴、随后进入发动机的燃烧室。但是，在电磁螺线管不通 电时，控制阀保持打开，来自增压室的燃料被压入低压油箱中而不是经燃 料喷嘴压入燃烧室。
如图1所示，上述电磁致动器可包括具有外极5a和内极5b的定子5 以及位于内极5b与外极5a之间环绕内极5b的线圏7。定子5和线圏7可 位于定子壳体8的孔内。该壳体8中形成有一高压流体孔9，以用于将流 体从增压室(未示出)输送到燃料喷射器的喷嘴(未示出)、随后注入发 动机的燃烧室。
以往已对用于控制流体流动的电磁致动器作出种种改进。例如，对定 子的外极和内极设计出各种几何形状，意图在于增加极的面积从而增大致 动力。但是，随着内、外极尺寸的增加或改变，定子和定子壳体的几何形 状变得复杂，以例如(i)保持期望的产品封装尺寸和/或(ii)确保壳体8 内的高压流体通道9受足够高强度的壳体材料的支承，以便在壳体8中输 送高压流体而不发生破裂。此外，尽管以往提出了各种几何构型的内外极、线圏和定子壳体，但这些几何形状的制作成本的增加可能导致性价比降低。 可通过提供改进的并能够在定子-线圏作用力大小、流体通道强度与生
产成本和能力之间更有效地取得平衡的致动器结构来进一步改进现有的用
于控制流体流动的方法和设备。
本发明的目的是克服通过电磁致动器控制流体流动的现有装置和方法
中存在的一个或多个缺陷。

发明内容
本发明的 一个方面提供一种用于控制流体流动的电^f兹致动器。该致动 器可包括一具有内极构件和外极构件的定子。该外极构件中具有一用于将 流体输送通过该外极构件的流体通道。该致动器还可包括在内极构件与外 极构件之间围绕内极构件设置的线圏。该致动器还可包括一衔铁，该衔铁 能够在由定子和线圏产生的磁场的作用下移动并可被操作以用来影响流体 通过流体通道的输送。
本发明的另 一方面提供一种通过致动器控制流体流动的方法。该方法
可包括对位于内极构件与外极构件之间的线圏进行通电或断电而产生或 改变磁场；响应磁场的产生或改变，移动衔铁；以及响应衔铁的移动使流 体输送通过位于外极构件内的流体通道。
应该理解，上述概述和以下详述只是例示性和解释性的，并不是对如 权利要求所限定的本发明的限制。


包括在本说明书中、构成本说明书一部分的附图示出本发明示例性实 施例或特征，这些附图与该说明一起用来解释本发明的原理。附图中
图1为一现有技术的电磁致动器组件一部分的示意性横截面图2为本发明一实施例的燃料喷射器的部分主视剖面示意图3为图2的定子线圏组件的部分俯视透视图4为图2的定子线圏组件的部分仰视透视图5为图2的外极构件的俯视图6a和6b为其上装有衔铁的图2的定子线圏组件的部分俯视和仰视 透视图7为图2的内极构件的部分俯视透^f见图8为图2的内极构件的部分仰视透视图；以及
图9为本发明的可选实施例的其上装有衔铁的定子线圏组件的部分仰 视透视图。
尽管这些附图示出本发明的示例性实施例或特征，但这些附图的尺寸 比例不必与实物相符，为更好示出和说明本发明某些特征可夸大某些特征。 这些范例只是示出本发明示例性实施例或特征，并不应理解成对本发明的 范围有所限制。
具体实施例方式
下面详细说明本发明的实施例或特征，本发明的各例子示出在各附图 中。在这些附图中所有相同或相应的标号表示相同或相应的部件。
下面参见图2，用于控制流体流动的电磁致动器如燃料喷射器10可包 括由彼此联接的多个部件构成的燃料喷射器体部11。燃料喷射器体部11 中有一柱塞孔12，该柱塞孔中有一由某些合适装置一例如由液压或凸轮驱 动的挺杆组件一驱动而作往复运动的柱塞13。柱塞孔12的一部分和柱塞 13可限定一燃料加压室14，该燃料加压室经高压通道15和喷嘴室16与喷 嘴出口 17连通。 一针阀构件20通常被弹簧22偏置在堵塞喷嘴出口 17的 位置上。喷射过程中，针阀构件20上升到打开位置而打开喷嘴出口 17。
当柱塞13处于其向下增压冲程时，当溢流阀组件40在其打开位置上 时，燃料加压室14中的压力不能增大。该溢流阀组件40可包括一螺线管 41,该螺线管具有一联接在溢流阀构件43上的衔铁42。 一偏置弹簧45通 常偏压溢流阀构件43使其远离高压阀座44而使得高压溢流通道46与低压 溢流通道47连通。换句话说，当溢流阀螺线管41不通电时，燃料加压室 14经高压通道15的一部分、高压溢流通道46和低压溢流通道47与燃料
喷射器体部11内的一低压区28连通。因此，当溢流阀組件40打开时，从 燃料加压室14排出的燃料再循环以备随后的使用，并且燃料喷射器中的压 力不能提高到较高的喷射压力。当溢流岡螺线管41通电时，衔铁42和溢 流阀构件43被拉向螺线管40而关闭高压阀座44 ，从而造成燃料加压室14、 高压通道15和喷嘴室16中的燃料压力迅速升高。因此，为升高燃料压力 开始喷射，可对溢流阀螺线管41进行通电以关闭溢流阀组件40。
为控制开始喷射的精确时刻，针阀构件20可包括受到针控制室23中 的流体压力作用的环形封闭液压面21，该液压面可交替地受到低压或高压 的作用。针阀构件20可包括一针部25、 一隔离部27、 一止动销部35以及 一针控制活塞24。根据针控制阀构件33的位置，针控制室23或是与高压 通道26或是与低压通道29连通。针控制阀构件33为针控制阀组件30的 一部分，该针控制阀组件30包括针控制螺线管31，该针控制螺线管具有 联接在阀构件33上的衔4失32。偏置弹簧45通常朝打开高压阀座34的位 置向下偏压衔铁32和针控制阀构件33。当针控制螺线管31不通电时，针 控制室23经高压通道15的一部分和高压通道26、通过高压阀座34与燃 料加压室14流体连通。当针控制螺线管31通电时，针控制阀构件33上升 而关闭高压阀座34。此时，针控制室23经低压通道29与低压区28流体 连通。因此，当针控制螺线管31通电时环形封闭液压面21处于低流体压 力下，从而使得针阀构件20如同一普通的弹簧偏置止回阀。但是，该封闭 液压面21的尺寸优选设计成当螺线管31不通电时即使在高燃料压力下也 能将针阀构件20保持在其关闭位置上。
下面结合图3-8特别说明燃料喷射器10的螺线管41、 31。螺线管41、 31可包括定子60、线圏64、 65和衔铁42、 32。定子60可包括外极构件 66和内极构件68a、 68b。如图所示，顶部和底部螺线管41、 31可由形成 两螺线管的外极构件66的单一外极块67、形成顶部和底部内极构件68a、 68b的单一内极块70 (图7和8)以及两线圏64、 65构成，从而在燃料喷 射器IO内有效地使用空间和材料。但是，应该知道，双螺线管结构并不是 必要的，单个螺线管结构也可包括单个外极构件66、单个内极构件68a(或68b)和单个线圏64 (或65)。
外极构件66中可具有用于容纳内极构件68a、 68b和线圏64、 65的开 口 72。从图5可最清楚地看到，开口 72可具有大致呈椭圆形的横截面， 而外极构件66的外周74可大致呈圆形。开口 72可包括用于容纳电接插件 80的接插件室部76。如图5所示，接插件室部76偏离横截面的大致椭圆 的形状或与该形状不一致，使得接插件80可靠近内极构件68a、 68b安装 在外极构件66的开口 72内。电接插件80可与线圏64、 65可操作地电连 接并且可包括从外极构件66延伸出以与控制装置连接的电线。
外极构件66还可包括一个或多个沿纵向形成在其中的暗销孔84。在 装配期间，暗销件的一部分(未示出)可插入外极构件66中的相应暗销孔
而确保在燃料喷射器10内外极构件66与该邻接燃料喷射器部件适当地对 齐。
外极构件66的制作材料例如(i)具有足够的强度以用作内极构件68a、 68b、线圏64、 65和电接插件80的壳体；(ii)具有足够的强度以在其中 形成用于输送高压流体的孔100,以及(iii)具有合适的并足以用作一极件 的磁性。例如，外极构件66可用SAE4118钢制成。当选定外极构件66的 合适的制作材料并在定子部件与线圏之间确立合适的几何结构时，外极构 件66可用作定子壳体且在其中形成用于输送高压流体的流体通道100。在 图3-8的实施例中，流体通道100沿纵向形成在外极构件的壁中，该壁的 厚度足以供高压流体在其中流动而不造成壁的破裂。例如，在一实施例中， 外极构件66可构造用于通过流体通道100输送大于约200MPa压力的流 体。如图5所示，流体通道100位于外极构件66的较厚的壁部中，其大致 位置在直径方向上与接头室部76相对且沿周向位于两暗销孔84之间。
应该理解，外极构件66可由各种工艺制成。例如，外极构件66可用 整件材料机加工而成，也可用金属注模成形(MIM)工艺制成。
如图7和8所示，内极构件68a、 68b可设置成至少部分位于外极构件 66的开口72中。内极构件68a、 68b在其至少一个冲黄截面102、 104、 106
上具有至少一个大致呈椭圆形的外周102a、 104a、 106a。在图3-8的实施 例中，内极块70沿内极块70的长度限定装在外极构件66的开口 72内的 第一横截面部分103、第二横截面部分105和第三横截面部分107。设置在 第一与第三横截面部分103、 107之间的第二横截面部分105的横截面周长 104a明显比第一和第三横截面部分103、 107的长，并且可与外极构件66 固定地接合。例如，从图7可最清楚地看到，第二横截面部分105可在其 外周上形成有倒角109。内极块70可在内极块70的笫二横截面部分105 处例如沿倒角109或倒角109附近焊接(例如激光焊接)到外极构件66 上。因此，内极块70可被牢牢保持在外极构件66内。笫二横截面部分105 的横截面外周104a与外极构件66的开口 72的内壁大体配合。例如，第二 横截面部分105可构造成与外极构件66的开口 72压配合。此外，尽管第 二横截面部分105的横截面外周104a大致呈椭圆形，^M黄截面外周104a 可包括用于容纳电接插件80的接插件室部105b。如以上对于外极构件的 开口 72的描述，第二横截面部分105的接插件室部105b可以偏离横截面 外周的大致椭圆的形状或与该椭圆形状不 一致。
在一种结构中，内极构件68与外极构件66可在烧结工艺期间连结在 一起。例如，用于内极构件68的材料与用于外极构件66的材料可在烧结 工艺期间粘结以形成一整体极构件。从而，可节省将内极构件68与外极构 件66装配在一起的费用。应该理解，在烧结工艺中内极构件68和外极构 件66使用的材料可不同。例如，内极构件材料的选择可着重内极构件68 的磁性，而外极构件66可选用强度特性与内极构件材料不同的材料。
第一线圏64可围绕内极构件68a在其第一横截面部分103上设置。第 二线圈65可围绕内极构件68b在其第三横截面部分107上设置。如图所示， 每一线圏64、 65可布置在内极构件68a、 68b与外极构件66之间。此外， 每一线圏64、 65可布置成大致呈椭圆形套在位于外极构件66的开口 72 内的内极构件68a、 68b上。
每一衔铁42、 32可设置成能在由各自的定子60与线圏64、 65的组合 产生的磁场的作用下移动，并如上所述，可被操作以影响流体输送通过流体通道100。参见衔铁42，每一衔铁42、 32可在第一与第二位置之间移动， 第二位置距离外极构件66比第一位置远。例如，当线圏64通电时，衔铁 42可克服弹簧45的力而向外极构件66移动到第一位置。当线圏64断电 时，衔铁42可在弹簧偏置力的作用下离开外极构件66到第二位置。
每一衔铁42、 32在其中可包括一个或多个周向开口 110a、 110b，这 些开口 110a、 110b构造用于允许衔铁42、 32具有大的表面积，同时避免 与流体通道100和/或暗销孔84的干涉。因此，衔铁42、32的每一开口 110a、 110b可布置在外极构件66的流体通道100 (或暗销孔84 )附近且至少部 分地围绕流体通道(或暗销孔)。因此，当衔铁42、 32在其第一位置上接 近或抵靠外极构件66时，衔铁42、32不妨碍流体流出或流入流体通道100。 每一衔铁42、 32还可包括形成在其中以在衔铁42、 32移动时供流体在其 中流动输送的通孔114，以使阀的动作、阀的阻尼和力响应最佳。
在一可选实施例(图9)中，衔4失42、 32之一或两者可具有大致呈椭 圆形的外周。该大致椭圆形外周可大体与外极构件66中的大致椭圆形开口 72对齐。此外，外极构件66中的开口 72可扩大而进一步向外极块67的 外周延伸，使得图9中所示的基准点67a处外极块67的壁比图5中所示的 外极块67的对应部67a薄。因此，图9的实施例的开口 72形成的椭圆形 更明显。由于图9中所示的外极构件66的壁部67a较薄，因此，暗销孔 84可重新定位并设置在外极构件66的具有较厚壁的部位上。例如，图9 的暗销孔已^皮重新定位而且互相偏移约160°。
应该理解，本发明实施例可包括外形不同的衔铁42、 32。例如，第一 衔铁42可大体构造成如结合图6A所示、所述，而第二衔铁32可构造成 如结合图9所示、所述。因此，尽管流体通道100可构造成穿过整个外极 块67的通孔，但靠近衔铁32的一个或多个暗销孔84可与靠近第一衔铁 42的暗销孔偏离。因此，靠近衔铁32的暗销孔84可不与靠近第一辨f4失42 的暗销孔84对齐并且可不穿过整个外极块67。
下面参见图2、 7和8，本发明一实施例可包括一致动器壳体(例如喷 射器体部11)，该壳体具有容纳内外极构件68、 66的大致呈柱形的极壳体部120 。该极壳体部120可具有 一 穿过其中的大致位于中心的纵向轴线2。 特别是，内极构件68可在其中具有一大致与中心纵向轴线2同轴的孔122。 因此，保持在孔122内或相对孔122布置的其它致动器构件(例如针控制 阀构件33、弹簧45、衔铁32、 42)可在极壳体部120和喷射器体部11内 居中地对齐和/或对称地构造。例如，针控制阀组件30和溢流阀组件40可 包括对称地形成的部件和/或可对中地布置在喷射器体部11内。由于孔122 和其它致动器构件可在极壳体部120和喷射器体部11内对称地形成和/或 居中地对齐，因此这些特征和部件可用"对中"的精密加工和/或装配操作 来成形和/或装配，这样，总的来说，比非对称和/或偏心的精密加工和/或 装配操作费用少。
工业适用性
从以上说明可看出，任一衔铁42、 32的移动可控制向发动机注入燃 料。更确切地说，通过在内极构件68a、 68b与外极构件66之间设置的线 圏64、 65的通电或断电，可在燃料喷射器10内产生或改变(例如增强、 减弱或消除)磁场。各自的衔铁42、 32可响应磁场的产生或改变而移动， 从而高压流体可响应衔铁42、 32的移动而输送通过位于外极构件66内的 流体通道IOO。因此，响应各自的衔铁42、 32的移动，输送通过位于外极 构件66中的流体通道IOO的高压燃料最终被压出燃料喷射器10。
本发明提供一种用于在允许有效利用致动器内的空间和材料的同时通 过致动器控制流体流动的设备。本文所描述的电动液压致动器经预测可在 权衡生产成本和生产能力的情况下通过使极和游f铁表面积最大化来增加致 动器力的大小，同时不断地减小所需要的包装尺寸。
从上迷可知，尽管本文说明本发明特定实施例以起到示例性的作用， 但可在不偏离本发明精神或范围的情况下作出种种修正。根据该说明书和 附图以及本发明的实施，本发明的其它实施例对本领域普通技术人员来说 是显而易见的。该说明书和所述例子仅仅是示例性的，本发明的真正范围 和精神由后附权利要求及其等同项示出。因此，本发明仅由后附权利要求限定。
权利要求
1.一种用于控制流体流动的电磁致动器，该致动器包括具有内极构件(68a、68b)和外极构件(66)的定子(60)，所述外极构件内具有用于将流体输送通过该外极构件的流体通道(100)；位于所述内极构件与外极构件之间、围绕所述内极构件设置的线圈(64、65)；以及能够在由所述定子和线圈产生的磁场的作用下移动并可被操作以影响流体输送通过流体通道的衔铁(32、42)。
2. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于，所述外极构件中具 有用于容纳所述内极构件和所述线圏的开口 (72)，所述开口的横截面大 致呈椭圓形。
3. 根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，在所述外极构件的 横截面处，所述外极构件具有大致呈圆形的外周。
4. 根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述外极构件的开 口的一部分在横截面处与所述横截面的大致椭圆形不一致，该部分设计用 于在其中容纳电接插件。
5. 根据权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述衔铁具有大致 呈椭圆形的外周。
6. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于， 所述衔铁可在第一与第二位置之间移动，第二位置距离所述外极构件比第一位置远；所述衔铁中形成有第一开口 (110),该第一开口设置成靠近所述外极 构件的流体通道且至少部分地围绕该流体通道，并设计用于在所述衔铁位 于第 一位置上时允许流体流入和流出该流体通道。
7. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于， 所述外极构件中具有至少一个沿纵向形成的暗销孔(84); 一暗销的 一部分布置在该暗销孔中； 所述衔铁中形成有一开口 ，该开口设置成靠近该暗销且至少部分地围 绕该暗销。
8. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于，所述衔铁中形成有 多个穿孔(114)，以用于在该衔:铁移动时允许流体输送通过该多个穿孑匕
9. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于，所述内极构件包括位于所述外极构件的开口中沿所述内极构件的长度 设置的第一、第二和第三横截面部分(103、 105、 107);所述第二横截面部分的横截面周长比所述第一和第三横截面部分的 长，所述第二横截面部分位于所述第一与第三横截面部分之间且与所述外 极构件固定地接合。
10. 根据权利要求9所述的致动器，其特征在于， 所述内极构件的第二横截面部分的外周上形成有一倒角(109); 所述内极构件在该倒角处焊接在所述外极构件上。
11. 根据权利要求9所述的致动器，其特征在于， 所述线圏在所述内极构件的第一横截面部分处围绕所述内极构件设置；在所述内极构件的第三^f黄截面部分处围绕所述内极构件设置有第二线
12. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于，所述流体通道设计 用于输送压力至少为约200MPa的高压流体。
13. 根据权利要求l所述的致动器，其特征在于，包括 具有一极壳体部(120)的致动器壳体，该极壳体部具有一穿过其中的中心纵向轴线(2),所述内极构件设置在该极壳体部内并具有一穿过其中 的内极孔(122),该内极孔与该中心纵向轴线大致同轴。
14. 一种用于通过致动器控制流体流动的方法，包括 对设置在内极构件(68a、 68b)与外极构件(66)之间的线圏(64、65)进行通电或断电以产生或改变一磁场；响应所述磁场的产生或改变，移动衔铁(32、 42);以及 响应所述衔铁的移动使流体输送通过位于外极构件中的流体通道(100)。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，对线圏进行通电或 断电的步骤包括对设置在外极构件中 一 大致椭圆形开口内的线圏进行通电 或断电。
16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括在所述衔铁 移动时使流体在形成于衔铁中的通孔(114)中流动。
17. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，包括 对设置在第二内极构件与所述外极构件之间的第二线圏(65、 64)进行通电或断电以产生或改变一万兹场；响应所述第二磁场的产生或改变，移动第二衔铁(42、 32);以及 响应所述第二衔铁的移动，影响流体输送通过位于所述外极构件中的流体通道。
全文摘要
本发明公开了一种控制流体流动的设备和方法。一电磁致动器可包括具有内极构件(68a、68b)和外极构件(66)的定子(60)。该外极构件中可具有一用于将流体输送通过该外极构件的流体通道(100)。该致动器还可包括布置在内极构件与外极构件之间、围绕内极构件设置的线圈(64、65)。该致动器还可包括一衔铁(32、42)，该衔铁能够在由定子和线圈产生的磁场的作用下移动并且可被操作以影响流体输送通过流体通道。
文档编号F16K31/06GK101198817SQ200680021659
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月2日 优先权日2005年6月17日
发明者D·R·科尔德伦, H·K·克里希纳斯万米, N·N·巴尼, S·R·刘易斯 申请人:卡特彼勒公司