具有防气穴通气口的燃料喷射器喷嘴组件和方法与流程

1.本发明总体上涉及一种用于内燃发动机的燃料喷射器，并且更具体地涉及一种具有用于弹簧腔的防气穴通气口的燃料喷射器喷嘴组件。


背景技术：

2.一个多世纪以来，燃料喷射器已经用于很多不同类型的内燃发动机。在许多现代设计中，通常称为出口止回阀或类似术语的阀构件定位在燃料喷射器壳体内，并且被操作以将内部燃料通道中或外部燃料供应中的高压燃料与和燃烧腔流体连通的燃料喷孔连接。一些出口止回阀设计被直接控制，其中液压压力被选择性地施加并释放在出口止回阀的关闭液压表面上，以使得加压燃料能够致动出口止回阀打开并选择性地将燃料喷射到燃烧腔中。其它设计不被直接控制，并且当作用在出口止回阀的打开液压表面上的喷嘴腔中的燃料达到足够的压力时，出口止回阀与偏置弹簧的偏置力相反地被液压致动打开。几乎无数不同的出口止回阀设计是围绕这些一般原理构建的。
3.正如在许多流体系统中经历较高量值的流体压力，特别是较高量值的流体压力变化的情况，可以观察到被称为气穴的现象。当液体的压力下降到低于液体的蒸气压力时，可以形成液体蒸气气泡，然后当压力增加到高于蒸气压力时塌陷。已经观察到气穴气泡的塌陷导致内部燃料喷射器表面的腐蚀，潜在地导致性能劣化或甚至失效。多年来，已经提出了用于减轻燃料喷射器中的气穴现象的各种策略，包括放置限流器、通气口、蓄压器和其它特征以防止可能导致气穴现象的压力偏移。伴随着不断变化的燃料系统设计以满足更严格的排放和燃料效率标准、增加的操作和喷射压力、以及更高的部件行进速度，工程师一直在寻找用于改进性能和使用寿命的新策略，包括气穴现象的管理。在lopez的美国专利申请公开第2018/0306154a1号中阐述了一种已知的燃料喷射器和燃料系统设计。


技术实现要素：

4.在一方面，一种用于燃料喷射器的喷嘴组件包括喷射器壳体，其具有限定纵向轴线的外壳和在外壳内的堆叠。堆叠包括喷嘴端件和至少一个中间件，并且具有形成在其中的喷嘴供应通道、喷嘴腔、多个喷孔、弹簧腔和止动腔。喷嘴组件进一步包括出口止回阀，其具有定位在喷嘴腔内的尖端、定位在止动腔内的止动件、以及暴露于喷嘴腔的流体压力的打开液压表面。出口止回阀在关闭位置和打开位置之间可移动，在关闭位置，尖端接触喷射器壳体以阻塞多个喷孔；在打开位置，止动件接触喷射器壳体。喷嘴组件进一步包括偏置弹簧，其定位在弹簧腔内并联接到出口止回阀以将出口止回阀朝向关闭位置偏压。在出口止回阀和喷射器壳体之间形成间隙，该间隙将弹簧腔流体连接到止动腔，该间隙具有第一流动面积。堆叠进一步具有形成在至少一个中间件中的防气穴通气口，该防气穴通气口将弹簧腔流体连接到低压空间并且具有小于第一流动面积的第二流动面积。
5.在另一方面，一种用于内燃发动机的燃料喷射器包括喷射器壳体，其具有纵向轴线并具有形成在其中的柱塞腔、喷嘴供应通道、喷嘴腔、多个喷孔、弹簧腔和止动腔。柱塞在
柱塞腔内可移动以对用于喷射的燃料加压。燃料喷射器进一步包括出口止回阀，其具有定位在喷嘴腔内的尖端、定位在止动腔内的止动件、以及暴露于喷嘴腔的流体压力的打开液压表面。出口止回阀在关闭位置和打开位置之间可移动，在关闭位置，尖端接触喷射器壳体以阻塞多个喷孔；在打开位置，止动件接触喷射器壳体。燃料喷射器进一步包括偏置弹簧，其定位在弹簧腔内并联接到出口止回阀以将出口止回阀朝向关闭位置偏压。在出口止回阀和喷射器壳体之间形成间隙，并将弹簧腔流体连接到止动腔。防气穴通气口形成在喷射器壳体中，并经构造限制弹簧腔中的流体压力变化。防气穴通气口将弹簧腔流体连接到低压空间，使得响应于将出口止回阀定位在打开位置，流体通过防气穴通气口从弹簧腔排放，并且响应于开始将出口止回阀从打开位置移回到关闭位置，流体通过防气穴通气口返回到弹簧腔。
6.在又一方面，一种操作用于内燃发动机的燃料喷射器的方法包括增加燃料喷射器中的喷嘴腔中的燃料压力；响应于喷嘴腔中的燃料压力的增加而将燃料喷射器中的出口止回阀致动到打开位置；以及响应于将出口止回阀定位在打开位置而将燃料喷射器中的弹簧腔中的燃料移位到低压空间。该方法进一步包括减小喷嘴腔中的燃料压力；并且响应于喷嘴腔中的燃料压力的减小，使用燃料喷射器中的偏置弹簧开始致动出口止回阀回到关闭位置。该方法仍进一步包括响应于开始致动出口止回阀回到关闭位置，将燃料从低压空间返回到弹簧腔，并通过燃料喷射器中的防气穴通气口将返回的燃料输送到弹簧腔，使得限制弹簧腔中气穴气泡的产生。
附图说明
7.图1是根据一个实施例的内燃发动机系统的示意图；
8.图2是根据一个实施例的燃料喷射器的截面侧示意图；
9.图3是图2的燃料喷射器的喷嘴组件部分的截面侧示意图；
10.图4是根据另一实施例的燃料喷射器的喷嘴组件部分的截面侧示意图；
11.图5是根据又一实施例的燃料喷射器的喷嘴组件部分的截面侧示意图；
12.图6是根据一个实施例的在燃料喷射期间喷嘴组件的特性随时间变化的信号值的曲线图；
13.图7是根据另一实施例的在燃料喷射期间喷嘴组件的特性随时间变化的信号值的曲线图；
14.图8是根据已知设计的在燃料喷射期间喷嘴组件的特性随时间变化的信号值的曲线图；以及
15.图9是根据另一已知设计的在燃料喷射期间喷嘴组件的特性随时间变化的信号值的曲线图。
具体实施方式
16.参照图1，示出了根据一个实施例的内燃发动机系统10，其包括内燃发动机12，其具有发动机壳体14，其具有形成在其中的多个气缸。气缸16可以是任何合适的布置，诸如v形、直线形或其它形状。多个活塞18中的每一个都定位在气缸16中的一个内，并且以传统的四冲程或二冲程模式在下止点位置和上止点位置之间可移动。发动机12可以包括压缩点火
内燃发动机，其中活塞18将气缸16内的压力增加到燃料和空气的自燃阈值。活塞18以通常传统的方式与曲轴20联接。发动机12可以经构造利用合适的压缩点火燃料诸如柴油蒸馏燃料、生物柴油、这些燃料的混合物或其它燃料来操作。发动机系统10进一步包括燃料系统22，其包括凸轮24，其具有多个凸轮凸角26并且通常以发动机速度的一半可旋转。燃料系统22还包括燃料供应或箱28和燃料输送泵30，其经构造将燃料从箱28供应到燃料供应导管31，燃料供应导管31将燃料供应到多个燃料喷射器32。燃料供应导管31可以至少部分地形成在发动机壳体14的发动机头部内。燃料排放导管33从发动机壳体14延伸回到箱28。
17.每个燃料喷射器32进一步包括与凸轮凸角26中的一个相关联的凸轮致动燃料泵34。在所示实施例中，每个燃料喷射器32进一步包括溢流阀36。泵34可以附接到燃料喷射器32或配置成单独的装置。每个燃料喷射器32进一步包括出口止回阀38和偏置弹簧40，出口止回阀38和偏置弹簧40与其他部件一起定位在喷射器壳体42内。如本文进一步讨论的，每个燃料喷射器32进一步包括防气穴通气口44，以消除或减少在某些较早的设计中与止回阀偏置弹簧相关联地观察到的气穴现象。
18.现在还参照图2，进一步详细地示出了燃料喷射器32。应当理解，本文对任何一个部件的特征或功能的描述可以通过类比方式理解为指任何其它类似或相同部件的特征或功能，除非另有说明或从上下文显而易见。燃料喷射器32可以互换以在发动机系统10内使用，因此以单数形式描述燃料喷射器32是通过类比于任何燃料喷射器32来表示的。燃料喷射器32包括喷嘴组件46，其具有喷射器壳体42，其具有限定纵向轴线50的外壳48和位于外壳48内并包括多个堆叠件的堆叠52。堆叠52可以包括喷嘴端件54和至少一个中间件56和58。燃料喷射器32还可以包括喷射器主体件60，其诸如通过螺纹与外壳48接合以将堆叠52的部件夹紧在外壳48内。在所示实施例中，中间件56包括弹性件56，中间件58包括上堆叠件58。燃料喷射器32还具有形成在喷射器壳体42中的柱塞腔62，其具有在柱塞腔62内可移动的凸轮致动柱塞64，以对用于喷射的燃料加压。柱塞64可以与挺杆35联接，挺杆35与相应的凸轮凸角26接触。溢流阀36的电致动器66可以被操作以在打开位置和关闭位置之间移动溢流阀构件68，在打开位置，柱塞64的往复运动将燃料从燃料供应导管31转移和到燃料供应导管31；在关闭位置，柱塞64的往复运动可以对用于喷射的燃料加压。
19.现在还参照图3，喷射器壳体42中进一步具有形成在其中的喷嘴供应通道72、喷嘴腔74、多个喷孔76、弹簧腔78和止动腔80。在所示的实施例中，喷嘴供应通道72延伸穿过堆叠52的每个堆叠件，并流体连接到喷嘴端件54内的喷嘴腔74。喷孔76形成在喷嘴端件54中，然而，在其它实施例中，喷孔可以形成在外壳中。当安装用于在发动机12中使用时，喷嘴端件54可以定位成使得喷孔76在相应的气缸16中的一个内并与其流体连通。弹簧腔78形成在弹簧件56中，偏置弹簧40定位在弹簧腔78内。偏置弹簧40连接到出口止回阀38以将出口止回阀朝向关闭位置偏置。弹簧连接器41将出口止回阀38连接到偏置弹簧40并定位在弹簧腔78内。弹簧止动件或定位件43定位成与弹簧连接器41相对，并将偏置弹簧40支承在弹簧腔78内。
20.出口止回阀38还包括定位在喷嘴腔74内的尖端82和定位在止动腔80内的止动件84，并且出口止回阀38在尖端82接触喷射器壳体42以阻挡喷孔76的关闭位置和在止动件84接触喷射器壳体42的打开位置之间可移动。受控泄漏路径39在喷嘴端件54和出口止回阀38之间延伸，以将燃料泄漏到止动腔80和弹簧腔78。如上所述，弹簧腔78可以形成在弹簧件56
中，但在其它实施例中，例如可以形成在上堆叠件中，或形成在定位在上堆叠件58和喷嘴端件54之间的一个或多个中间堆叠件中。间隙88形成在出口止回阀38和喷射器壳体42之间，并将弹簧腔78流体连接到止动腔80。在实际的实施策略中，止动腔80至少部分地形成在喷嘴端件54内。弹簧件56包括径向向内的突起90，其围绕出口止回阀38周向延伸以形成间隙88。径向向内的突起90包括面向第一轴向方向(换言之，沿纵向轴线50的第一方向)的壳体止动表面92。止动件84可以包括径向向外的突起，其包括面向与第一轴向方向相对的第二轴向方向的止回阀止动表面96。止回阀止动表面96在出口止回阀38的打开位置接触壳体止动表面92。
21.防气穴通气口44位于堆叠52中，并且是形成在弹簧件56、上堆叠件58或两者中的至少一个防气穴通气口中的一个。防气穴通气口44将弹簧腔78流体连接到低压空间70。低压空间70可以包括或流体连接到燃料供应导管31、排放导管33或单独的排放等。低压空间70可以以通常已知的方式在堆叠52和外壳48之间延伸到喷射器壳体42中。在所示的实施例中，间隙88具有第一流动面积，并且防气穴通气口44具有小于第一流动面积的第二流动面积，其重要性将从下面的描述中进一步显而易见。同样在所示实施例中，防气穴通气口44包括形成在弹簧件56中并直接通向弹簧腔78的孔。如本文进一步讨论的，在其他实施例中，防气穴通气口可以在其他情况下位于喷射器壳体内部并且流体连接到喷射器壳体内的弹簧腔和低压空间。
22.现在转到图4，示出了根据另一实施例的用于燃料喷射器的喷嘴组件146，其包括具有限定纵向轴线150的外壳148的喷射器壳体142，以及在喷射器壳体142和外壳148内的堆叠152。喷嘴组件146包括出口止回阀138，而堆叠152包括喷嘴端件154、弹簧件156和上堆叠件158。喷嘴组件146还包括延伸到喷嘴腔174、止动腔180和弹簧腔178的喷嘴供应通道172。偏置弹簧140定位在弹簧腔178内。低压空间170在喷射器壳体142和堆叠152之间延伸，包括在外壳148和上堆叠件158和弹簧件156中的每一个之间。未具体描述的喷嘴组件146的其它特征可以理解为与结合图3的前述实施例描述的特征相同或类似。堆叠152进一步具有将弹簧腔178流体连接到低压空间170的防气穴通气口。在所示的实施例中，防气穴通气口144形成在上堆叠件158中并间接地通向弹簧腔178，其通过孔147连接到弹簧腔178。
23.现在参照图5，示出了根据又一实施例的喷嘴组件246，其包括喷射器壳体242，其具有外壳148和其中包括堆叠件254、256和258的堆叠152。堆叠件254包括喷嘴端件，堆叠件256包括弹簧件，堆叠件258包括上堆叠件。低压空间270在喷射器壳体242与堆叠件256和258之间延伸。喷嘴组件246包括形成在上堆叠件258中的第一防气穴通气口244和形成在弹簧件256中的第二防气穴通气口249。在图3、图4和图5的每个实施例中，防气穴通气口44、144、244和249包括在对应的喷射器壳体42、142、242内部的孔并且流体连接到喷射器壳体内对应的弹簧腔78、178、278和低压空间70、170、270。在图3的实施例的情况下，防气穴通气口44直接通向弹簧腔78，在图4的实施例的情况下，防气穴通气口144间接通向弹簧腔178，而在图5的实施例的情况下，第一防气穴通气口244间接通向弹簧腔278，而第二防气穴通气口249直接通向弹簧腔278。
24.工业实用性
25.总体上参照附图，但具体参照图1-3的实施例，操作发动机系统10和燃料喷射器32包括诸如通过发动机12的飞轮旋转凸轮轴24，使得凸轮凸角26与泵34的挺杆35接触地旋
转，导致柱塞64在柱塞腔62中前进和缩回。当溢流阀36处于打开配置时，柱塞64的往复运动可以将燃料吸入柱塞腔62并将燃料从柱塞腔62排放，从燃料供应导管31排放并排放到燃料供应导管31。当期望增加用于喷射的喷嘴腔74中的燃料压力时，溢流阀36可以被致动关闭，诸如通过激励电致动器66以将溢流阀构件68移动到关闭位置。当溢流阀36关闭时，柱塞64在柱塞腔62中的前进对其中的燃料加压，并通过喷嘴供应通道72将增加的压力传送到喷嘴腔74。
26.当燃料在喷嘴腔74中被充分加压时，作用在打开液压表面86上的燃料的液压克服偏置弹簧40的偏置力，并将燃料喷射器32中的出口止回阀38致动到打开位置。增加的燃料压力将倾向于通过泄漏39从喷嘴腔74泄漏到止动腔80和弹簧腔78，使得当喷嘴腔74中的燃料压力增加时，止动腔80和弹簧腔78也将经历压力的增加。当出口止回阀38升高时，特别是当出口止回阀38接近其打开位置时，在该打开位置处止动件84接触喷射器壳体42，弹簧腔78中的燃料通过防气穴通气口44移位到低压空间70。当喷孔76打开时，燃料将从喷嘴腔74喷射到气缸16中。当期望结束燃料喷射时，可以通过致动溢流阀36打开来减小喷嘴腔74中的燃料压力。响应于喷嘴腔74中燃料压力的减小，出口止回阀38使用由偏置弹簧40产生的偏置力开始致动回到其关闭位置。响应于开始致动出口止回阀38回到关闭位置，主要在止动件84移动脱离与喷射器壳体42的接触的时刻，一些燃料从低压空间70通过防气穴通气口44返回到弹簧腔78。在燃料喷射事件期间，流体流动的泄漏或排放方向可以理解为从泄漏路径39延伸到止动腔80，并从止动腔80延伸到弹簧腔78。当出口止回阀38朝向关闭位置移动时，流体流动的返回或填充方向可以从止动腔80延伸到泄漏路径38。如本文进一步讨论的，当出口止回阀38关闭时，一些流体可以通过防气穴通气口44排放到低压空间75，并且当出口止回阀38开始打开时，一些流体通过防气穴通气口44从低压空间75返回。
27.可以回想到，当喷嘴腔74中的燃料压力在柱塞泵冲程期间增加时，弹簧腔78中的燃料压力将趋于增加。在某些较早的设计中已经观察到，在具有不受限制的通气或以其他方式与本发明的通气配置不同的通气配置的弹簧腔中的燃料压力、弹簧腔中的燃料压力可以显著波动，或甚至在出口止回阀移动成与止动件接触和脱离接触时下降到负压。结果，可以形成气穴气泡，其在塌陷时可以导致对弹簧或其它部件的表面的损坏。通过本文设想的防气穴通气口的性质中提供流动限制，与在已知设计中可能观察到的相比，可以在燃料喷射事件期间在弹簧腔中保持相对更稳定和典型地更高的压力，并且可以减小流体压力变化的幅度和可能导致气穴气泡产生的流体压力变化的潜在幅度。不能产生这种一般功能的通气口、孔、流动区域不能被清楚地理解为防气穴通气口。
28.现在参照图6，示出了曲线图300，该曲线图示出了在燃料喷射事件期间，指示类似于图3的实施例的燃料喷射器中的喷嘴腔中的峰值压力的第一信号迹线310；指示燃料喷射器中的出口止回阀的响应时间和/或位置的第二迹线320；以及指示弹簧腔内的流体压力的第三迹线330。在时间t1，可以注意到，喷嘴腔压力刚开始增加，并且止回阀位置刚开始从关闭位置移动。在近似的时间t2，喷嘴压力达到峰值或接近峰值，并且出口止回阀位置开始从打开位置向关闭位置返回。时间t2近似的是止动件84脱离与喷射器壳体42的接触，离开打开位置并且开始朝向关闭位置行进的时间。在时间t1和时间t2之间，弹簧腔压力相对稳定，并且可以看出，在时间t2之后，弹簧腔压力略微下降，但是总体上恢复而没有达到负压状态并且没有经历相对大的波动。参照图7，示出了另一曲线图400，其包括峰值压力迹线410、出
口止回阀定时或位置迹线420和弹簧腔压力迹线430以及时间t1和t2。图7所示的特性可以在图4的实施例中观察到。可以注意到，与图6中观察到的形状非常相似的形状在图7中是明显的。如本文所讨论的，在每种情况下，相对于在没有气穴减轻特征的其他设计中或在次于气穴减轻特征的设计中可能观察到的，都期望减少或消除弹簧腔中的气穴。
29.转到图8，示出了包括喷嘴腔压力迹线510、出口止回阀定时或位置迹线520和弹簧腔压力迹线530的曲线图500。在时间t1和时间t2之间，总体上对应于在已知燃料喷射器中开始打开和开始关闭出口止回阀的时间，可以看出，弹簧腔压力530显着地升高，下降接近t1，然后在时间t1之后增加。在图8的设计中，燃料喷射器可以形成为具有直接流体连接在喷嘴端件中的止动腔和低压空间之间的通气口，而不是根据本发明直接或间接地连接到弹簧腔。至少部分地基于所选择的用于通气的位置，图8中的燃料喷射器可以预期次于本发明的实施例。当止动腔直接通气时，在辅助和保持弹簧腔相对较高的压力的通气中可能存在较大的困难或不可能，并因此防止产生导致气穴的负弹簧腔压力或其它条件。
30.参照图9，示出了包括喷嘴腔峰值压力迹线610、出口止回阀位置或定时迹线620和弹簧腔压力迹线630的又一曲线图600。可以观察到图9所示的特性，其中在低压空间和弹簧腔之间根本没有流动限制。换言之，在对应于图9的燃料喷射器中，使用到低压空间的基本上不受限制的流体连接，而不是到弹簧腔的流动限制。可以观察到，弹簧腔压力在时间t1和时间t2之间相对急剧地增加，然后朝向时间t1迅速地减小，并且此后在区域640处达到或接近负压，在区域640处可以预期可能出现气穴。
31.本说明书仅用于说明目的，并且不应解释为以任何方式缩小本发明的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的完整和公平的范围和精神的情况下，可以对当前公开的实施例进行各种修改。通过研究附图和所附权利要求书，其它方面、特征和优点将变得显而易见。如本文所用，冠词
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具有(having)
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等旨在是开放式术语。进一步地，短语
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基于
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旨在表示
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至少部分地基于
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，除非另有明确说明。