CN105849403B - 喷射阀 - Google Patents

Abstract

一种喷射阀（1），其包括：带有凹部（21）的流体入口管（2）；具有中心纵向轴线（11）的阀体（3），所述阀体（3）包括带有流体出口部分（32）的腔体（31）；及阀针（4），其布置在所述流体入口管的所述凹部中且可沿所述中心纵向轴线在所述腔体中移动，所述阀针在闭合位置中阻止流体流通过所述流体出口部分且在其它位置中释放流体流通过流体出口部分。喷射阀还包括弹簧元件（51）和弹性本体（52），其设计且布置在所述凹部中使得当所述阀针沿所述纵向轴线移动远离其闭合位置时所述弹性本体和所述弹簧元件被压缩。

Description

喷射阀

技术领域

本申请涉及喷射阀。

背景技术

喷射阀可使用在内燃发动机中，以使流体按量输送至（例如）内燃发动机的进气歧管或直接进入内燃发动机的气缸的燃烧室。所述喷射阀需要可在宽的压力范围内进行操作，使得所述阀也可以提供低的最小流动量。此外，用在所述喷射阀中以致动所述喷射阀的针的致动器的尺寸需要尽可能地最小化以适合专用的发动机腔体。

发明内容

待解决的目标在于提供一种在运行期间可在宽的压力范围内进行操作且同时紧凑和可靠的喷射阀。

此目标尤其采用根据权利要求1所述的喷射阀来实现。另外的实施例和构型是从属权利要求的主题。

根据实施例，喷射阀包括带有凹部的流体入口管和具有中心纵向轴线的阀体。所述阀体包括带有流体出口部分的腔体。流体入口管和阀体可以是单个部件的两个区段。然而优选地，流体入口管和阀体是彼此机械固定且液压联接的单独部件。特别地，流体入口管和阀体布置成使得所述阀体的所述腔体在纵向方向上朝所述流体出口部分延伸到所述流体入口管的所述凹部。

阀针布置在所述流体入口管的凹部中且可沿所述中心纵向轴线在所述腔体中移动，所述阀针在闭合位置中阻止流体流通过所述流体出口部分以及在其它位置中释放流体流通过所述流体出口部分。阀针布置在所述流体入口管的凹部中且可沿所述中心纵向轴线在所述腔体中移动尤其意味着，所述阀针的一部分定位在所述流体入口管的所述凹部中并且所述阀针的另外的部分定位在所述阀针的所述腔体中。例如，所述阀针在纵向方向上从所述阀针的一个轴向端部的末梢部分延伸到所述阀针的相对的轴向端部的后部部分。所述阀针的位于所述凹部中的部分可以是后部部分或邻近后部部分的部分，以及位于所述腔体中的部分可以是所述末梢部分或邻近所述末梢部分的部分。

弹簧元件和弹性本体配置且布置在所述凹部中，使得当所述阀针沿着所述纵向轴线移动远离其闭合位置时所述弹性本体和所述弹簧元件被压缩。特别地，所述弹簧元件和所述弹性本体布置在所述凹部且在一侧上与所述阀体的一部分相互作用且在另一侧上与固定到所述阀针的弹簧座相互作用，使得当所述阀针沿着所述纵向轴线移动远离其闭合位置时所述弹性本体和弹簧元件被压缩。例如，所述弹簧元件和所述弹性本体就座抵靠阀体的所述部分以及抵靠所述弹簧座。

所述阀针可借助于设在所述喷射阀中的致动器得以致动，以便于获得通过所述流体出口部分的流体流。在致动之后，所述弹簧元件引起所述阀针退回其闭合位置。

所述弹性本体在所述凹部中存在流体压力的情况下可方便地进行操作，以在所述阀针上施加纵向作用力，其中纵向作用力（在下面也表示为“纵向作用力Fe”）取决于流体压力。

除了所述弹簧元件所设置的所述弹性本体（特别地，与所述弹簧元件径向间隔开）旨在补偿在运行期间由所述腔体中的流体压力所引起的作用在所述阀针上的作用力。这使得减少或甚至消除流体压力对喷射管的功能的影响。

由于不需要另外的补偿装置，致动单元的尺寸能够保持很小，且因此能够由于致动器变得更快来减小可控的最小流体量。液压平衡元件变得多余的，例如波纹管或干式致动器。

特别地，在所述弹性本体上的流体压力引起在所述阀针上的纵向作用力Fe，与由流体压力引起的在所述阀针上的纵向作用力Ff相比，该纵向作用力Fe指向相反的方向。

此外，随着流体压力增加，作用力Fe增加，特别地以线性或基本线性的方式。与此相反，所述弹簧元件的作用力几乎与流体压力无关。

在一种构型中，所述弹性本体是由弹性体材料制成的塑料本体。采用此类弹性本体，可特别容易地实现随压力变化的纵向作用力。

在优选构型中，在所述阀的运行期间以及在所述凹部中存在流体压力的情况下，作用于所述弹性本体的径向侧面上的流体压力引起纵向作用力，该纵向作用力补偿（即，特别地，部分补偿、完全补偿或略微过度补偿）由流体压力引起的在所述阀针上的纵向作用力。换言之，所述弹性本体将由流体压力所引起的作用在所述弹性本体上的径向作用力转化为流体压力相关的纵向作用力。

优选地，所述径向侧面暴露至流体，而所述弹性本体的在侧面之间延伸的外表面的顶部和底部部分不暴露至流体。例如，顶部和底部部分分别邻接所述阀体和所述弹簧座的一部分。有利地，所述弹性本体的表面上的液压力是不均匀的。由于在径向侧面上的流体压力，特别地，所述液压力可影响所述弹性本体在纵向方向上的刚度，使得所述刚度随流体压力增加而增加。

在另外的优选构型中，所述阀针连接到弹簧座，即，特别地，相对于弹簧座定位固定，当所述阀针沿着所述纵向轴线移动远离其闭合位置时，所述弹簧座同时作用在所述弹簧元件和所述弹性本体上。特别地，所述弹簧座位于所述流体入口管的凹部中。特别地，所述弹簧元件和所述弹性本体借助于弹簧座与所述阀针相互作用以偏压所述阀针朝向闭合位置。

例如，弹簧座可以是固定至阀针的垫圈。特别地，弹簧座的第一部分可以与弹簧元件直接机械接触，而第二部分与所述弹性本体直接机械接触。例如，第二部分可比第一部分布置成更靠近所述纵向轴线。此布置便于阀针同时与弹簧元件和弹性本体相互作用。

在另外的优选构型中，所述弹性本体是弹性环，所述弹性环布置在垂直于所述纵向轴线延伸的平面中。例如，弹性环围绕纵向轴线周向地延伸，且优选地还围绕阀针。特别地，所述弹性环相对于所述纵向轴线可以是旋转对称的。这确保了易于沿纵向轴线施加作用力Fe。

在另外的优选构型中，所述弹性本体配置成使得在没有流体压力的情况下且阀针处于闭合位置中，所述弹性本体被挤压以其初始纵向延伸的至少5％以及至多25％，优选地被挤压以至少10％以及至多20％，其中，此范围的边界分别被包括在其中。事实证明，这在弹性本体的寿命期间产生最好的弹性本体屈服。

在另外的优选构型中，喷射阀包括电磁致动器，电磁致动器设计成使得保持dFm/dz <Kv，其中，Fm是随纵向轴线上的位置z变化的磁力以及Kv是阀的弹簧比率。特别地，电磁致动器可以设计为使得在预定的保持驱动电流Ihold时的饱和磁通量产生稳定的最终位置。因此，可以免去在阀针的运动期间限制升程的硬停，使得消除在喷射阀的使用寿命期间中由硬停所引起的磨损和液压堵塞的风险。

在构型的变型中，喷射阀具有向外开放的类型。在这种情况下，阀针的末梢部分特别地在纵向方向上从阀体向外突出。在这种情况下，阀针可沿纵向方向移动远离闭合位置，其中所述纵向方向取向成从流体入口管朝向流体出口部分。

在此构型的变型中，即使在存在比较高的流体压力的情况下，借助于弹性本体确保闭合功能。这允许可在宽的压力范围内进行可靠操作的喷射阀的设计。特别地，喷射阀能够在比较低的压力下操作，例如在5巴到10巴之间的压力。在燃烧发动机中，此压力范围可用于跛行回家应急功能。在高压范围内，例如高于100巴的压力，由于由流体压力所引起的并且试图开启阀的作用力，借助于由弹性本体引起的反作用力Fe可靠地避免了阀的无意开启。

在可替代的构型的变型中，喷射阀具有向内开放的类型。在这种情况下，阀针的末梢部分特别地定位在阀体的腔体内。在这种情况下，阀针可沿纵向方向移动远离闭合位置，其中所述纵向方向取向成从流体出口部分朝向流体入口管。

此处，特别地，弹性本体引起所喷射的最小流体量对流体压力的依赖性减少或甚至消除。

附图说明

在下面参照示意性附图说明示例性实施例。在附图中，

图1以纵向剖视图示出了喷射阀，

图2以细节图示出了图1中所示的喷射阀的一区段，

图3A和图3B以另外的细节图来分别说明没有流体压力时的喷射阀的功能（图3A）和处于流体压力下的喷射阀的功能（图3B），

图4示出了由弹性本体引起的纵向作用力Fe与流体压力P的关系的示例性仿真结果。

在这些附图中，相同的结构和/或功能的元件由相同的附图标记标示。

具体实施方式

图1示出了喷射阀1，其适合于按量输送流体，例如柴油或汽油的燃料。部分12的细节图在图2中示出。在这些示例性实施例中，喷射阀1实施为配置成按量输送燃料至内燃发动机的向外开放类型的喷射阀。喷射阀包括阀组件30，流体入口管2和致动单元6。

阀组件30包括带有中心纵向轴线11的阀体3。阀体3机械连接到流体入口管2。阀体具有腔体31。布置在腔体中的阀针4可在轴向方向上（即在平行于纵向轴线11延伸的方向上）相对于阀体3移动。

腔体31液压联接到流体入口管2的凹部33和燃料连接器。燃料连接器设计为连接到内燃发动机的高压燃料室，特别地连接到燃料轨，其中，燃料在高压下储存。

在腔体31的一个自由端上形成流体出口部分32，该流体出口部分根据阀针4的轴向位置被闭合或开启。当阀针4远离闭合位置移动时，在阀体3与阀针之间在喷射阀1的背对致动单元6的轴向端部处存在间隙。该间隙形成阀喷嘴。

此外，阀针4具有针下部41。该针下部具有凹槽42。该凹槽具有环形形状。该凹槽42允许流体流到流体出口部分32。流体出口部分32根据阀针4的轴向位置被闭合或开启。

在针下部41的背对流体入口管2的轴向端部处，阀针4具有末梢43。优选地，末梢43是锥形的。末梢与阀体20配合以防止或使流体流通过流体出口部分28。

从流体入口管2引导流体至针下部41以通过凹槽42被引导到靠近阀针4的末梢43的流体出口部分32。在阀针处于闭合位置中时，其阻止流体流通过阀体3中的流体出口部分。

阀组件14设有致动单元6，其示例性地是电磁致动器。当然，可以替代地使用例如压电致动器的另外类型的致动单元。

电磁致动单元包括线圈60，其布置在壳体61的内部。此外，图1示出了磁路62。电磁致动单元6还包括电枢63。电枢联接到阀针4且可沿着中心纵向轴线11轴向移动。线圈60布置成与电枢相互作用，特别地将电枢移动至流体出口部分32的方向中。

电枢与阀针4配合，使得由线圈60产生的相对于电枢63的升程的至少一部分被传送到阀针4，由此移动在开启位置中的阀针。此外，喷射阀包括校准弹簧64，其布置在电枢的背对流体出口部分32的一侧上且与电枢63相互作用。

弹簧元件51布置在设于流体入口管2内的凹部33中。凹部22形成腔体31的一部分。

弹簧元件51配置成作用在阀针4上，以便于在轴向方向上移动阀针进入其闭合位置和/或保持阀针处于其闭合位置。特别地，当致动单元断电时，弹簧元件51迫使阀针4朝向致动单元6，使得阀针退回其闭合位置。例如，弹簧元件可以是标准的金属弹簧或3D管弹簧以具有更高的弹簧比率。

此外，弹性本体52布置在凹部21中。弹性本体布置成使得当阀针4移离其闭合位置时它是压缩的。弹性本体52在阀针4上施加纵向作用力Fe。

例如，阀针4包括弹簧座53。例如，弹簧座可以是垫圈。弹簧元件51和弹性本体52布置在阀针4的弹簧座53与阀体3的一部分之间，该部分支撑弹簧元件30和弹性本体。弹簧座成形且布置成使得当阀针4移离其闭合位置时，弹簧元件51和弹性本体52同时被压缩。弹簧座53的第一部分531与弹簧元件51机械接触。弹簧座的位于比第一部分更靠近纵向轴线的第二部分532与弹性本体机械接触。

例如，弹性本体52具有环形形状。特别地，弹性本体相对于纵向轴线11是旋转对称的。在图3A中所示的箭头71示出了在凹部21中没有流体压力情况下的由弹性本体所施加的作用力Fe。弹性本体在弹性本体的关于纵向方向的两侧上形成密封表面520，即，特别地，弹性本体52的表面的顶部部分密封地邻接弹簧座53，且所述表面的底部部分密封地邻接阀体51。

当致动单元6断电时，弹性本体52和弹簧元件51的组合在阀针4和阀体3之间施加纵向作用力，使得末梢50按压抵靠阀体以可靠地密封流体出口部分32。在喷射阀的制造期间，弹簧座53可相对于阀针4移动以压缩弹性本体52和弹簧元件51，直到由弹性本体52和弹簧元件51所施加的组合的纵向作用力已经达到目标作用力，例如在50牛与100牛之间的作用力。在此位置中，例如通过压接或借助于激光辐射，可将弹簧座永久地且机械地稳定固定到阀针。在此位置中，弹性本体优选地被挤压以其初始纵向延伸的至少5％以及至多25％，特别地被挤压以其初始纵向延伸的至少10％以及至多20％，以便在它的使用寿命期间获得最佳的弹性本体屈服。

如图3B所示，在凹部21中的处于压力下的流体引起径向地压缩弹性本体52的作用力（箭头73）。弹性本体将此作用力转化成作用力Fe的另外的随压力变化的分量（由箭头示出71）。

图4示出了具有o形环几何结构的弹性本体的作用力Fe的仿真结果。此处，绘制了根据压力变化的Fe（E，D，d，P），其中，E是杨氏模量，D是弹性本体的外部直径和d是弹性本体的帘线直径（cord diameter）。模拟结果清楚地显示，作用力Fe随着压力的增加基本上线性地增加。当然，无论是Fe在零压力的值以及斜率两者可根据需要借助于修改弹性本体而改变。

在阀上的随压力变化的作用力Fv由公式给出：

Fv（P）=Fe（E，D，d，P）+ z0 * K – A0 * P，

此处，z0是在闭合位置的纵向位置，K是弹簧元件51的弹簧比率以及A0是喷嘴末梢的密封面积。

这意味着，如果作用力Fe（E，D，d，P）等于A0 * P，则喷射阀1关于压力是理想地平衡的。因此，阀可在宽的压力范围内运行。可免去额外的压力补偿装置，使得喷射阀的外部尺寸可以保持较小。

当然，如果Fe仅部分地补偿或稍微过度补偿由流体压力所引起的作用在阀上的作用力，弹性本体52也可改善阀的性能。

优选地，弹簧元件51的弹簧比率K支配弹性本体52的刚度，使得弹性本体补偿随压力变化的作用力，由此弹簧比率K主要负责开启/闭合动态。

用于弹性本体52的材料优选地选择成使得在应用范围内硬度和杨氏模量对温度的依赖最小，例如-40℃与+150℃之间，以使弹性本体的性能是准确地可预测的。例如，弹性元件可以包含弹性体材料，例如氟弹性体材料（FKM）、GLT类似物、GFLT类似物（由DuPont deNemours公司所提供的）或VPL类似物材料（由Solvay plastics公司所提供的）。例如，所述材料通常用于O形环。当然，在给定的应用范围内可使用与侵蚀性汽油相容且可操作的任何其它弹性材料。

在上述示例性实施例的变型中，弹性本体52也可以使用在向内开放类型的喷射阀中以提供关于压力平衡的喷射阀。

在此类构型中，借助于弹性本体的压力补偿可引起与压力无关的瞬时特性以及减少或甚至消除以弹道区的方式中的最小喷射量对流体压力的依赖性。对于向外开放类型的喷射阀，也能够提供此类效果。

另外，当平衡的喷射阀不是压敏的时，最终的平衡位置能够通过由电保持电流Ihold维持的磁力以及由校准弹簧64和弹簧元件51提供的组合弹性作用力来确定。优选地，如此设计磁致动单元，使得在Ihold水平处获得饱和通量且弹簧比率主导磁力梯度dF/dz。因此，驱动设定参数和电流电平的随机波动的微小变化不会影响升程的最终位置且获得阀的下游的稳定流速。

因此，可免去硬停，使得可避免阀的使用寿命期间由于机械接触磨损和液压堵塞的流速偏差。

Claims (10)

1.一种喷射阀（1），其包括：

- 流体入口管（2），所述流体入口管（2）具有凹部（21），

- 阀体（3），所述阀体（3）具有中心纵向轴线（11），所述阀体（3）包括具有流体出口部分（32）的腔体（31），

- 阀针（4），所述阀针（4）布置在所述流体入口管（2）的所述凹部中且能够沿着所述中心纵向轴线（11）在所述腔体（31）中移动，所述阀针（4）在闭合位置中阻止流体流通过所述流体出口部分（32）并且在其它位置中释放流体流通过所述流体出口部分（32），

其中，

- 弹簧元件（51）和弹性本体（52）布置在所述凹部（21）中，以及其在一侧上与所述阀体（3）的一部分相互作用且在另一侧上与固定到所述阀针（4）的弹簧座（53）相互作用，使得当所述阀针（4）沿所述中心纵向轴线（11）移动远离其闭合位置时，所述弹性本体（52）和所述弹簧元件（51）被压缩，以及

- 在所述凹部中存在流体压力的情况下，所述弹性本体（52）能够被操作来在所述阀针（4）上施加随流体压力变化的纵向作用力。

2.根据权利要求1所述的喷射阀，其中，所述弹性本体（52）是由弹性体材料制成的塑料本体。

3.根据权利要求1所述的喷射阀（10），其中，在所述喷射阀的运行期间，所述流体压力作用在所述弹性本体的径向侧面上以引起纵向作用力。

4.根据权利要求1所述的喷射阀，其中，所述纵向作用力部分补偿、完全补偿或稍微过度补偿由所述流体压力引起的在所述阀针上的纵向作用力。

5.根据权利要求1所述的喷射阀，其中，所述弹簧元件（51）和所述弹性本体（52）分别就座抵靠所述弹簧座（53）。

6.根据权利要求1所述的喷射阀，其中，所述弹性本体是弹性环，所述弹性环布置在垂直于所述中心纵向轴线延伸的平面中。

7.根据权利要求1所述的喷射阀，其中，所述弹性本体如此配置，使得在没有流体压力存在的情况下且在所述喷射阀处于闭合位置中时，所述弹性本体被挤压以其初始纵向延伸的至少5％以及至多25％。

8.根据权利要求1所述的喷射阀，其中，所述喷射阀包括电磁致动单元（6），所述电磁致动单元设计成使得能够保持dFm/dz<Kv，其中，Fm是随中心纵向轴线上的位置z变化的磁力以及Kv是所述喷射阀的弹簧比率。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的喷射阀，其中，所述喷射阀是向外开放类型。

10.根据权利要求1至8中的一项所述的喷射阀，其中，所述喷射阀是向内开放类型。