專利名稱：適合于低粘性燃油的燃油噴射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于內(nèi)燃機的燃油噴射系統(tǒng)，更具體地，涉及適合于
將例如二甲醚(DME)的低粘性燃油噴射到壓燃式發(fā)動機內(nèi)的燃油噴 射系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
-已經(jīng)遵循已知的用于柴油燃油的高壓共軌系統(tǒng)的原理設(shè)計了一些 低粘性燃油噴射系統(tǒng)，其中燃油被單獨的泵加壓到壓力容器或壓力軌 內(nèi)，它們對于多個噴射器是共用的，且噴射由位于共軌和噴射器之間 的電促動閥來控制。此類型的噴射系統(tǒng)與基于泵一管一噴嘴或單元噴 射器原理的噴射系統(tǒng)相比，更適合于具有寬范圍可變的取決于壓力和 溫度特性的燃油，這對于DME的特性是典型的，原因部分地在于形成 和控制用于每個噴射的噴射能量的過程在時間上分開，且因此即使當 它們同時發(fā)生時也不相互復(fù)雜化。本發(fā)明的主題是用于將低粘性燃油 噴射到內(nèi)燃機內(nèi)的共軌燃油噴射系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)的噴射系統(tǒng)的一個例子在美國專利6,189，517中披露。
' 一個技術(shù)難題在于當共軌噴射系統(tǒng)設(shè)計為使用低粘性燃油時，由 于例如DME的低粘性燃油的相對低的比能，為獲得給定的發(fā)動機動力 而經(jīng)過噴射器和控制閥的體積相對地大。這需要在閥內(nèi)的相對大的控 制面積，而相對大的控制面積通常與噴射系統(tǒng)內(nèi)的對小的總體尺寸、 快速的響應(yīng)時間和小的控制及靜態(tài)泄漏的要求相沖突。在US 6，189，517 的現(xiàn)有技術(shù)的噴射系統(tǒng)中，泄漏問題由于使用小面積通道而更加嚴重， 該小面積通道將電促動閥的下游側(cè)連接到返回管路，以消除可能的不 受控的噴射和燃油經(jīng)過關(guān)閉的噴嘴進入發(fā)動機內(nèi)的泄漏，由于DME的低粘性而可能導(dǎo)致該泄漏。隨后披露了對此設(shè)計的改進，其中電促動 閥是三向滑閥型的閥，使得閥可以將噴射器嘴交替地連接到壓力源和
連接到返回管路。這樣的三向滑閥部分地解決了存在于US 6,189,517中 描述的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的在噴射活動期間的寄生性泄漏問題，但引入 了經(jīng)過滑閥內(nèi)的間隙的泄漏。已發(fā)現(xiàn)這樣的泄漏即使在常規(guī)的柴油燃 油噴射系統(tǒng)內(nèi)也不利地影響了液壓效率和可控性。其粘性大約低十倍 的DME將導(dǎo)致約相同幅度的泄漏率的增加。降低滑閥內(nèi)的間隙以限制 泄漏在技術(shù)上是不可行的，這是因為該間隙已接近最小值，且低粘性 燃油的潤滑性差，這顯著地增加了緊配合的滑閥的咬死的風(fēng)險。
對此問題的可能的解決方案是帶有兩個漸縮的或平的閥座的三向 液壓不平衡閥，其中加壓容積可以由相對長的精密匹配的導(dǎo)向件隔離 從而保證可接受的泄漏。這樣的閥的基本設(shè)計在本領(lǐng)域中是已知的， 且成功地利用在燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)以控制相對小的啟噴流量(pilot flow), 例如在EP1120563A2中描述的。然而，此原理可能難于實現(xiàn)控制待噴射 的燃油的完全流動，特別是在當使用DME時必須輸送增加的體積的情 況中，這是因為對于維持良好的響應(yīng)時間和可接受的電力消耗來說閥 的尺寸變得過大。因此，需要對低粘性燃油共軌系統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng) 的新穎設(shè)計方法。
一方面，低粘性燃油的差的潤滑性和潛在的大泄漏，且另一方面 低粘性燃油的低炭煙(low-sooting)燃燒特性，規(guī)定了相對低的噴射壓力 的選擇。低燃油壓力水平不僅要求噴射系統(tǒng)的控制閥內(nèi)額外的大流動 面積，而且使得必需使用高流量噴嘴以保持對于良好的發(fā)動機燃油效 率的足夠短的噴射時間周期。使用在US 6,189,517 Bl中披露的系統(tǒng)內(nèi) 的常規(guī)的高壓柴油噴嘴的設(shè)計限制了可使用的噴射孔的尺寸和數(shù)量。 在低粘性噴射系統(tǒng)內(nèi)使用常規(guī)的高壓柴油噴嘴的另一個不利方面是它 們相對高的成本和復(fù)雜性。
在低粘性燃油系統(tǒng)內(nèi)使用常規(guī)的柴油噴嘴的另一個不利方面是經(jīng)過這樣的噴嘴的針導(dǎo)向件的泄漏也可能變得相對大。因此，有利的是 設(shè)計低粘性燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了以降低的泄漏為特征且允許 大的開口流動面積的噴嘴。泄漏的降低也可以通過省卻燃油冷卻器而 使燃油系統(tǒng)降低成本。另外，燃油冷卻器也可能是必需的，這是因為 較高的泄漏導(dǎo)致更多的液壓能轉(zhuǎn)化為熱，該熱必須從系統(tǒng)中去除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用共軌型燃油噴射系統(tǒng)，通過限制由于靜態(tài)和 控制燃油泄漏導(dǎo)致的寄生性液壓損失、改進噴射可控性和降低噴射持 續(xù)時間，來改進低粘性燃油驅(qū)動的發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。本發(fā)明的另 一不目的是降低燃油噴射系統(tǒng)的成本，這可以通過降低系統(tǒng)內(nèi)的泄漏 且通過簡化噴嘴設(shè)計而實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的燃油噴射系統(tǒng)包括三向電操作的導(dǎo)閥，該導(dǎo)閥控制 位于共軌和噴嘴之間的液壓操作閥；位于噴嘴上游的差動液壓閥，其 出口連接到噴嘴入口；和位于液壓操作閥的出口和返回管路之間的電 操作的、雙向的、常開的溢出閥。噴嘴具有無泄漏設(shè)計，帶有通過彈 簧向其關(guān)閉位置偏置且當噴嘴內(nèi)的燃油壓力超過噴嘴打開壓力時可以 在發(fā)動機燃燒室的方向上向外打開的提升閥(poppet)類型的閥，該噴嘴
打開壓力通過發(fā)動機燃燒室內(nèi)的背壓和彈簧力確定。這樣的噴嘴設(shè)計 的特征是，比常規(guī)的高壓柴油噴嘴具有顯著更大的打開的有效流動面 積與閥升程的比。
在本發(fā)明中所有的控制閥具有漸縮的或平的閥座，帶來了在閥關(guān) 閉狀態(tài)中的最小可能泄漏。導(dǎo)閥非常小，這是因為它僅控制切換液壓 操作閥所需的很小的流動。由于其小尺寸，導(dǎo)閥可以在液壓上不平衡， 且?guī)в袃蓚€閥座的正向(positive)密封，而且因為閥桿的直徑小(典 型地為3mm)和相對長的閥桿密封長度，經(jīng)過閥桿的泄漏也少。
液壓操作閥也可以制成為帶有相對小的桿直徑，典型地為4mm，這是因為與以電操作閥可實現(xiàn)的升程相比，液壓操作閥的升程可以相 對地大。桿的密封長度可以足夠長，以實現(xiàn)小的泄漏。優(yōu)選地，液壓 操作閥具有漸縮的閥座以用于正向密封。
溢出閥也可以制成為非常小，因為其用途是輔助噴嘴閥和液壓操 作閥的關(guān)閉且釋放噴嘴內(nèi)的殘余壓力以限制燃油到燃燒室內(nèi)的可能泄 漏和/或不受控的噴射，該可能泄漏和/或不受控的噴射在液壓操作閥和 隨后在噴嘴內(nèi)建立的壓力的不良密封的情況中是可能的。
差動液壓閥執(zhí)行與以上所參考的US 6,189,517 Bl中所描述的彈性 止回閥相同的功能。此功能是在發(fā)動機關(guān)閉后防止燃油泄漏到發(fā)動機 內(nèi)。差動液壓閥在發(fā)動機運行期間保持全開，且不參與噴射控制。
由于其特征在于電操作陶不直接控制待噴射到發(fā)動機內(nèi)的燃油的 完全流動的事實的本發(fā)明的控制系統(tǒng)的設(shè)計，這些閥和它們的促動器 可以制成為足夠小，以直接配合在噴射器內(nèi)。這使得死液壓容積最小 化，且?guī)椭鷮崿F(xiàn)了更精確的燃油噴射控制，特別是對小的燃油量的控 制。
在常規(guī)的高壓柴油噴嘴的噴射霧化模式對于特定的燃燒系統(tǒng)比提 升閥型噴嘴的噴射霧化模式更有利的情況中，在本發(fā)明中也可以使用 該高壓柴油噴嘴。在這樣的情況中，從噴嘴針的低壓側(cè)泄漏的燃油或 者直接連接到返回管路或者連接到背壓調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)可變的噴嘴打 開壓力。


'本發(fā)明將進一步在下文中以非限制性方式參考附圖來描述，各圖
為
圖l是根據(jù)本發(fā)明的燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)選實施例的示意性視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃油噴射系統(tǒng)的第二實施例的示意性視圖；圖3是本發(fā)明的另一個實施例的示意性視圖，其中使用了常規(guī)的高 壓柴油噴嘴。
相同的參考數(shù)字用于指示在附圖中描繪的系統(tǒng)的相應(yīng)的零件。
具體實施例方式
參考圖l，設(shè)置有低粘性燃油供給系統(tǒng)，供給系統(tǒng)包括燃油箱l、
供給泵2和相關(guān)的部件(未示出)、高壓泵3、共軌4、多個連接到共軌 4的噴射器5、發(fā)動機管理系統(tǒng)6。液壓操作閥7連接在共軌4和噴嘴8的 入口之間，液壓操作閥7的入口連接到共軌4。液壓操作閥優(yōu)選地具有 精密匹配的桿且形成了出口室9和控制室10，且優(yōu)選地通過彈性裝置ll 向其關(guān)閉位置偏置。閥7的控制室10可以取決于來自發(fā)動機管理系統(tǒng) (EMS) 6的指令通過三向?qū)чy12連接到共軌4或返回管路13。液壓操 作閥7的出口經(jīng)由差動液壓閥14連接到噴嘴8的入口。噴嘴8具有閥桿 15，閥桿15帶有導(dǎo)向件16和提升閥17。彈性裝置18將噴嘴向關(guān)閉位置 偏置，且當噴嘴內(nèi)建立了足夠高以克服彈性裝置18的力和作用在提升 閥17上的背壓的力時，噴嘴可以打開，所述背壓在使用中是發(fā)動機燃 燒室(未示出)內(nèi)的壓力。由EMS6控制的溢出閥19連接在液壓操作閥 7的出口和返回管路13之間。
差動液壓闊14設(shè)計為使得一旦它打開，則閥的暴露于燃油的壓力 的面積足夠大，以在閥內(nèi)的壓力為略低于系統(tǒng)內(nèi)的供給壓力或高于此 水平的任何值時，保持閥相對于閥返回彈簧的力而打開。在發(fā)動機停 止且供給壓力下降到預(yù)先確定的水平以下時，閥14關(guān)閉且閥的暴露于 閥上游的壓力的面積變得相對地小，使得需要供給壓力水平以上的壓 力再次打開閥14。這樣的閥的設(shè)計在本領(lǐng)域中是已知的，且例如在美 國專利No 6，189，517 Bl中披露。
根據(jù)圖l的實施例的系統(tǒng)工作如下在不噴射狀態(tài)但發(fā)動機運行 時，在供給泵2下游和返回管路13內(nèi)存在供給壓力；高壓泵將燃油加壓 到某一水平且在共軌4內(nèi)維持該水平。閥12和閥19不被EMS 6激活。三向?qū)чy12在其非激活位置將共軌4連接到液壓操作閥7的控制室10。來 自共軌的壓力與彈性裝置11的力結(jié)合起來將閥7保持在其關(guān)閉位置。溢 出閥19打開，將液壓操作閥7的出口連接到返回管路13。差動液壓閥14 打開，且噴嘴8內(nèi)的壓力等于返回管路13內(nèi)的壓力。噴嘴由彈性裝置18 和作用在提升閥17上的背壓的結(jié)合力關(guān)閉。
為開始噴射，EMS施加控制電流到導(dǎo)閥12，導(dǎo)閥12將液壓操作閥7 的控制室10與共軌4分離且將控制室10連接到返回管路13?？刂剖?0內(nèi) 的壓力下降且允許從出口室9作用在閥7上的共軌壓力相對于彈性裝置 11的力而打開閥7。大約在同時，EMS關(guān)閉溢出閥19，使得燃油不能溢 出到返回管路13，同時液壓操作閥7打開。連接閥7的出口室9與噴嘴8 的管路內(nèi)的燃油壓力升高，當達到噴嘴打開壓力時，噴嘴打開且提升 閥I7向發(fā)動機的燃燒室移動，燃油噴射開始。
為結(jié)束噴射，EMS取消對導(dǎo)閥12的激活，然后將控制室10從返回 管路13斷開且將控制室10連接回到共軌?？刂剖?0內(nèi)的壓力升高，且 與彈性裝置11一起促使閥7向下朝著關(guān)閉位置移動。在閥7的閥座內(nèi)的 任何節(jié)流效應(yīng)輔助閥關(guān)閉。在閥7關(guān)閉時段和其流動面積相應(yīng)地降低的 期間，燃油繼續(xù)從打開的噴嘴噴射且噴嘴內(nèi)的壓力降低。典型地，液 壓操作閥7首先關(guān)閉，然后當噴嘴內(nèi)的壓力降低得足夠低時，噴嘴也關(guān) 閉。此后，EMS打開溢出閥19，使得可能在噴嘴內(nèi)殘留的相對地高的 殘余壓力在噴嘴關(guān)閉時釋放回到返回管路13。這使得經(jīng)過關(guān)閉的噴嘴 向燃燒室內(nèi)泄漏的風(fēng)險最小化，該泄漏導(dǎo)致增加的廢氣排放。
'如果必需，則閥7和噴嘴8的關(guān)閉可以通過相對早地再次打開溢出 閥19而更快。這樣的早的再次打開將增加噴嘴內(nèi)和液壓操作閥7下游內(nèi) 的壓力衰減的速度，且因此輔助較早地關(guān)閉閥和噴嘴。在其中必須進 行非常小的噴射的情況中，例如引燃噴射的情況中，此運行模式是有 利的。在本發(fā)明的噴射模式控制中也可存在其他的可能性。例如，導(dǎo)閥 可以在燃油噴射的第一部分中周期地打開/關(guān)閉，以通過控制液壓操作 閥7的升程來調(diào)制噴射壓力。
在圖2中圖示的本發(fā)明的另一個實施例與圖1的優(yōu)選實施例不同在 于，作為三向?qū)чy的替代，使用了兩向?qū)чy20來控制液壓操作閥7。在 此實施例中，控制室10以具有頸縮(restriction)21的通道連接到共軌，且 此頸縮的流動面積和導(dǎo)閥20的最大流動面積設(shè)定為使得在閥20完全打 幵時，液壓操作閥7的控制室10內(nèi)的壓力下降，且允許閥7打開。系統(tǒng) 也可以設(shè)計為在高壓柴油燃油噴射器中已知的方式，使得閥7在接近完 全打開位置時，關(guān)閉進入連接控制室10與先導(dǎo)控制閥20的通道22的入 口，因此使從共軌經(jīng)過頸縮21、控制室10和打開的提升閥20回到返回 管路13的泄漏最小化。
在圖3中示出的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的設(shè)計在原理上與以 上所述的設(shè)計相同，但使用了常規(guī)的噴嘴8。噴嘴具有帶有精密匹配導(dǎo) 向件24的針23，導(dǎo)向件24將噴嘴壓力室25與彈簧室26隔離。彈簧室26 或者直接連接到返回管路13或如在圖3中示出的連接到壓力調(diào)節(jié)器27， 壓力調(diào)節(jié)器27可以被電控，以在每個發(fā)動機運行條件中設(shè)定最優(yōu)的噴 嘴打開壓力。
本發(fā)明不限制于以上所述的實施例，而是在如下的權(quán)利要求的范 圍內(nèi)可以進行多種修改。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機系統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)，包括發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)(6)，燃油供給泵(2)，返回管路(13)，將燃油在壓力下供給到共軌(4)的高壓泵(3)，液壓操作閥(7)和電操作的導(dǎo)閥(12)，其中所述液壓操作閥(7)形成連接到共軌(4)的出口室(9)以及控制室(10)，所述閥(7)設(shè)計為使得在其關(guān)閉位置中，所述閥防止流出出口室(9)的流動，所述電操作的導(dǎo)閥(12)適合于控制液壓操作閥(7)的位置，其特征在于帶有將噴嘴向關(guān)閉偏置的彈性裝置(18)的噴嘴(8)連接到液壓操作閥(7)的出口，使得在液壓操作閥(7)的出口處的壓力趨向于克服彈性裝置(18)的力并打開噴嘴(8)，且電操作的溢出閥(19)連接在液壓操作閥(7)的出口和返回管路(13)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于電操作的 導(dǎo)閥(12)是三向閥，它能交替地將控制室(10)連接到共軌(4)或 返回管路(13)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于控制室(IO) 經(jīng)由頸縮(21)連接到共軌(4)，且電操作的導(dǎo)閥(12)是能將控制 室(10)連接到返回管路(13)的雙向閥，其中頸縮(21)和打開的 導(dǎo)閥(12)的流動面積選擇為使得在導(dǎo)閥(12)的打幵位置中，控制 室(10)內(nèi)的壓力下降且允許出口室(9)內(nèi)的壓力打開閥。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于液壓操作 閥(7)適合于在閥(7)處于打開位置時關(guān)閉控制室(10)和導(dǎo)閥(12) 之間的連接。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在 于具有將液壓操作閥(7)向其關(guān)閉位置偏置的彈性裝置(11)。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于噴嘴(8)包括帶有提升閥(17)的閥桿(15)，設(shè)計為使得噴嘴 內(nèi)作用在提升閥的一部分上的壓力能克服彈性裝置(18)和噴嘴外側(cè) 的背壓的力，且通過在發(fā)動機燃燒室的方向上向外移動桿(15)和提 升閥(17)來打開噴嘴。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至5的任一項所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在 于噴嘴(8)包括帶有導(dǎo)向件(24)的針(23)，形成與噴嘴的入口 以及彈簧室(26)連通的壓力室(25)，設(shè)計為使得壓力室(25)內(nèi) 的作用在針(23)的一部分上的壓力能克服彈性裝置(18)的力，且 通過使針(23)在離開發(fā)動機的燃燒室的方向上移動來打開噴嘴，并 且其中，彈簧室(26)連接到返回管路(13)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于彈簧室(26) 連接到壓力調(diào)節(jié)器(27)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在于壓力調(diào)節(jié) 器(27)由EMS (6)電控。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項所述的燃油噴射系統(tǒng)，其特征在 于差動液壓閥(14)安裝在噴嘴(8)的上游，該閥(14)設(shè)計為使 得當該閥(14)上游的壓力低于作為運行中的發(fā)動機的特征的供給壓 力時閥(14)關(guān)閉，且當該閥(14)上游的壓力處于或高于作為運行 中的發(fā)動機的特征的供給壓力時閥(14)打開。
全文摘要
一種用于內(nèi)燃機系統(tǒng)的燃油噴射系統(tǒng)，包括發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)(6)，燃油供給泵(2)，返回管路(13)，將燃油在壓力下供給到共軌(4)的高壓泵(3)，液壓操作閥(7)和電操作的導(dǎo)閥(12)，其中該液壓操作閥(7)形成連接到共軌(4)的出口室(9)，和控制室(10)，所述閥(7)設(shè)計為使得在其關(guān)閉位置中，所述閥防止流出出口室(9)的流動。帶有將噴嘴向關(guān)閉偏置的彈性裝置(18)的噴嘴(8)連接到液壓操作閥(7)的出口，使得在液壓操作閥(7)的出口處的壓力趨向于克服彈性裝置(18)的力且打開噴嘴(8)。電操作的溢出閥(19)連接在液壓操作閥(7)的出口和返回管路(13)之間。
文檔編號F02M63/02GK101297108SQ200580051903
公開日2008年10月29日 申請日期2005年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月19日
發(fā)明者塞爾吉·尤達諾夫 申請人:沃爾沃拉斯特瓦格納公司