流体喷射阀的电磁致动器组件和操作流体喷射阀的方法.pdf

本发明具体提出了一种用于流体喷射阀（1）的电磁致动器组件（2）。该致动器组件包括第一线圈（21）和第二线圈（22）。所述第一和第二线圈（21,22）构造成用于移动电枢（23）。致动器组件（2）进一步包括电气连接电路（24），所述电气连接电路（24）用于将所述第一和第二线圈（21,22）连接到电源（3）。所述电气连接电路（24）构造成在致动器组件（2）的第一操作模式下在不为第二线圈（22）通电的情况下为第一线圈（21）通电并且构造成在致动器组件（2）的第二操作模式下为第一线圈（21）和第二线圈（22）两者都通电。进一步，本发明具体提出了流体喷射阀（1）和用于操作所述流体喷射阀（1）的方法。

权利要求书
1.   一种用于流体喷射阀（1）的电磁致动器组件（2），包括：
第一线圈（21）和第二线圈（22），所述第一和第二线圈（21,22）构造成用于移动电枢（23），
电气连接电路（24），所述电气连接电路（24）用于将所述第一和第二线圈（21,22）连接到电源（3），以及
第一外部电气连接件（241）和第二外部电气连接件（242），所述第一和第二外部电气连接件（241,242）构造成将所述电气连接电路（24）连接到所述电源，
其中，所述电气连接电路（24）构造成在所述致动器组件（2）的第一操作模式下在不激励所述第二线圈（22）的情况下激励所述第一线圈（21）并且构造成在所述致动器组件（2）的第二操作模式下激励所述第一线圈（21）和所述第二线圈（22）两者，并且
其中，所述致动器组件（2）构造成当直流电从所述第一外部电气连接件（241）流动到所述第二外部电气连接件（242）时处于第一操作模式并且当直流电从所述第二外部电气连接件（242）流动到所述第一外部电气连接件（241）时处于第二操作模式。

2.   根据权利要求1所述的电磁致动器组件（2），其中所述电气连接电路（24）包括切换部件（243），所述切换部件（243）构造成当所述致动器组件（2）处于第一操作模式时使穿过所述第二线圈（22）的电流减小或者使所述第二线圈（22）短路。

3.   根据权利要求2所述的电磁致动器组件（2），其中所述切换部件包括二极管（243）。

4.   根据权利要求2或3所述的电磁致动器组件（2），其中
-所述第一线圈（21）和所述第二线圈（22）通过所述电气连接电路（24）串行电气连接，并且所述切换部件（243）与所述第二线圈（22）并行电气连接，或者
-所述第二线圈（22）和所述切换部件（243）串行电气连接，并且所述第二线圈（22）和所述切换部件（243）两者一起与所述第一线圈（21）并行电气连接。

5.   一种流体喷射阀（1），包括根据前述权利要求中任一项所述的电磁致动器组件（2）、所述电枢（23）以及阀针（11），所述阀针（11）机械地联接到所述电枢（23），以使得所述电磁致动器组件（2）能够操作用以通过与所述电枢（23）相互磁作用来移动所述阀针（11）。

6.   一种用于操作根据权利要求5所述的流体喷射阀（1）的方法，包括下述步骤：
-确定将通过流体喷射阀（1）而被分送的流体的特性，
-将所确定的流体特性与预定阈值相比较，以及
-随后经由第一和第二外部电气连接件（241,242）将操作电流供给到所述电气连接电路（24）来操作所述电磁致动器组件（2），以便从所述流体喷射阀（1）分送流体，
其中，
-当所确定的流体特性小于所述预定阈值时，以操作电流从第一外部电气连接件（241）流动到第二外部电气连接件（242）的方式借由经所述第一和第二外部电气连接件（241,242）将操作电流供给到所述电气连接电路（24，所述流体喷射阀（1）以第一操作模式操作，并且
-当所确定的流体特性大于所述预定阈值时，以操作电流从第二外部电气连接件（242）流动到第一外部电气连接件（241）的方式借由经所述第一和第二外部电气连接件（241,242）将操作电流供给到所述电气连接电路（24），所述流体喷射阀（1）以第二操作模式操作。

7.   根据权利要求6所述的方法，其中所确定的流体特性是将由所述流体喷射阀（1）分送的流体量或者是流体压力。

说明书流体喷射阀的电磁致动器组件和操作流体喷射阀的方法
技术领域
本公开涉及一种用于流体喷射阀的电磁致动器组件，涉及一种具有所述致动器组件的流体喷射阀，并且涉及一种用于操作所述流体喷射阀的方法。
背景技术
例如，在EP 2221468 A1中公开了一种流体喷射阀。该流体喷射阀具有用于移动阀针的电磁回路。该阀针机械地联接到电磁回路的电枢，以使得当激活电磁回路的线圈来移动电枢时，电枢使阀针抵靠弹簧的机械力并抵靠流体的液压力来进行移动。弹簧设置成在电磁回路未激活时使喷射阀保持闭合。电枢将阀针从闭合位置移开。
液压力取决于压力。因此，为了在高燃料压力下进行操作，需要具有高感应系数的线圈来操作喷射阀。然而，由于高感应系数，线圈在其被去激活时的响应慢，以使得在燃料喷射阀的一个分送操作期间的最小流动比较高。
另一方面，如果选择了具有较低感应系数的线圈，那么喷射阀具有较低的最大工作压力，从而导致在一个分送操作期间的最大流动降低。
WO 2011/000663 A1公开了一种具有螺线管组件的流体喷射器，所述螺线管组件包括第一和第二线圈并且能够通过施加到所述两个线圈的至少一个预定搭配（assortment）的电气信号来磁致动电枢。
发明内容
本公开的一个目的是具体提出一种改进的流体喷射阀，所述改进的流体喷射阀具体地具有特别大的工作流动范围和/或具体地是可容易地控制的。
该目的是通过用于流体喷射阀的电磁致动器组件以及通过根据独立权利要求的用于操作流体喷射阀的方法来实现的。在从属权利要求中具体提出了所述电磁致动器组件、所述流体喷射阀和所述方法的有利实施方式和扩展。
根据一个方面，具体提出了一种用于流体喷射阀的电磁致动器组件。该致动器组件包括第一线圈和第二线圈。所述第一和第二线圈构造成用于移动电枢-尤其是通过与电枢进行相互电磁作用的方式。致动器组件进一步包括电气连接电路。所述电气连接电路具体设置为便于将所述第一和第二线圈连接到电源-例如发动机控制单元。所述电气连接电路构造成在致动器组件的第一操作模式下在不激励第二线圈的情况下激励第一线圈并且构造成在致动器组件的第二操作模式下将第一线圈和第二线圈两者都激励。
致动器组件在第一操作模式下“在不激励第二线圈的情况下”工作具体意味着：当致动器组件在这种在处于第一和第二操作模式时穿过第一线圈的电流基本上具有相同的量的条件下操作时，与在处于第二操作模式时流动穿过第二线圈的电流的量相比较，在处于第一操作模式时流动穿过第二线圈的电流的量为50%或更少、优选地为10%或更少、特别地为2%或更少。
电磁致动器组件可被包含在流体喷射阀中，具体地被包含在燃料喷射阀中。流体喷射阀可被包含在内燃发动机中。
流体喷射阀有利地包括电枢。它可进一步包括阀针。阀针和电枢例如布置在流体喷射阀的阀体中。有利地，电枢能够以下述方式机械地联接到阀针：当电磁致动器组件操作时能够使阀针移动。具体地，电枢能够使阀针从闭合位置移开，在所述闭合位置阀针优选地防止流体喷射阀分送流体。
第一和第二线圈以及电枢具体包含在磁回路中。磁回路可还包含燃料喷射阀的额外部分-例如极片、磁轭和/或阀体。
有利地，能够通过电磁致动器组件来实现特别大的工作流动范围。在第一操作模式中，基本上仅与第一线圈的感应系数相关，以使得当接通或切断操作电流时致动器组件可特别快地做出响应。因此，能够实现特别小的最小流体流动。然而，致动器组件还能够通过当致动器组件以第二操作模式操作时第一和第二线圈同时操作而在电枢上产生特别大的磁力。因此，流体喷射阀能够在特别高的流体压力下打开。换句话说，它具有特别高的最大工作压力，并且因此，每个喷射事件都能够实现特别大的最大流体流动。
在一个实施方式中，第一和第二线圈同心地布置，具体地是环绕阀体和/或环绕极片布置。在备选实施方式中，第一和第二线圈可还在沿着致动器组件或阀体的纵向轴线的方向上相继布置。
根据一个实施方式，电气连接电路包括切换部件。有利地，切换部件构造成当致动器组件处于第一操作模式时使穿过第二线圈的电流减小或者使第二线圈短路。
在一个实施方式中，第一线圈和第二线圈通过电气连接电路串行电气连接，并且切换部件与第二线圈并行电气连接。在另一个扩展中，第二线圈和切换元件串行连接，并且第二线圈与切换元件的串行连接与第一线圈并行连接。
在某些实施方式中，切换部件可包括继电器、开关或晶体管中的至少一个。在优选实施方式中，切换装置包括二极管或由二极管组成。因为切换装置包括二极管，所以第一与第二操作模式之间的切换特别简单并且制造电气连接电路的成本特别低。
电气连接电路具有第一外部电气连接件和第二外部电气连接件。第一和第二外部电气连接件被具体构造成将电气连接电路电气连接到电源。例如，第一外部电气连接件和第二外部电气连接件两者每个都包括电气端子，所述电气端子可被布置在流体喷射阀的连接器舱（connector bay）中。优选地，致动器组件以下述方式设计：用于第一和第二线圈的操作电流可以通过第一和第二外部电气连接件提供到电气连接电路。可以通过电源产生操作电流。
在有利的扩展中，致动器组件构造成当直流电从第一外部电气连接件流动到第二外部电气连接件时处于第一操作模式并且当直流电从第二外部电气连接件流动到第一外部电气连接件时处于第二操作模式。在这些情形中，电流流动方向具体是常规电流（即，正电荷流动）的方向。例如，切换装置的电阻可取决于电流方向-例如当切换装置包括二极管或由二极管组成时。电源可被有利地以下述方式构造：能够提供第一操作电流到电气连接电路-所述第一操作电流在从第一外部电气连接件朝向第二外部电气连接件的方向上流动，并且能够提供第二操作电流到电气连接电路-所述第二操作电流在从第二外部电气连接件朝向第一外部电气连接件的方向上流动。以此方式，致动器组件能够在第一与第二操作模式之间轻易地切换-具体地是通过使施加到电气连接电路的电流方向反向来实现的。
根据进一步的方面，具体提出了一种用于操作流体喷射阀的方法。
根据所述方法的一个步骤，确定了将通过流体喷射阀分送（具体地在一个喷射事件期间）的流体的特性。
根据进一步的（尤其是随后的）方法步骤，将确定的流体特性与预定阈值相比较。在有利的扩展中，根据比较结果来选择致动器组件的操作模式。
根据随后的方法步骤，操作流体喷射阀来分送流体。当确定的流体特性小于预定阈值时，流体喷射阀以第一操作模式操作。当确定的流体特性大于预定阈值时，流体喷射阀以第二操作模式操作。
有利地，当确定的流体特性小于预定阈值时以第一方式并且当确定的流体特性大于预定阈值时以第二方式来将用于致动器组件的操作电流经由第一和第二外部电气连接件供给到电气连接电路中：第一方式-操作电流从第一外部电气连接件流动到第二外部电气连接件；第二方式-操作电流从第二外部电气连接件流动到第一外部电气连接件。
在一个实施方式中，流体特性是将由流体喷射阀分送的流体量。将由流体喷射阀分送的流体量例如设置成用于在内燃发动机的气缸冲程期间的至少一个喷射事件中的一个喷射事件。
发明人已发现，将由流体喷射阀喷射的流体的压力波动具有较大的幅度-例如当分送大剂量的流体时（例如在发动机失效模式-例如所谓的“跛行回家（limp home）模式”期间）在标称压力的30%的范围内。当流体喷射阀运行来分送小剂量时，压力波动的幅度较小。有利地，当仅分送小流体剂量时，流体喷射阀不需要使用具有足以在发生大幅度波动时运行的感应系数的线圈来运行。
在所述方法的另一个实施方式中，流体特性是将由流体喷射阀喷射的流体的流体压力。在一个扩展中，当确定的流体压力在为流体喷射阀特定的标称最大工作压力的10%到90%之间时，流体喷射阀可以以第一操作模式运行。
在所述方法的实施方式中，设置了发动机控制单元。发动机控制单元确定将要分送的流体量，从而将确定的流体量与预定阈值相比较并且相应地选择第一或第二操作模式，因为流体喷射阀取决于确定的流体量与预定阈值之间的比较的结果。
附图说明
通过下面结合示意图来描述的示例性实施方式，所述致动器组件、所述流体喷射阀和所述方法的进一步的优点、有利实施方式和扩展将变得清楚，在附图中：
图1示出了根据第一实施方式的喷射阀的示意性剖视图，所述喷射阀具有电磁致动器组件；
图2a示出了处于第一操作模式的根据第一实施方式的电磁致动器组件的电路图；
图2b示出了处于第二操作模式的根据第一实施方式的电磁致动器组件的电路图；
图3示出了根据第二实施方式的电磁致动器组件的电路图；以及
图4示出了流体喷射组件的示意图，所述流体喷射组件包括电源和第一实施方式的电磁致动器组件。
具体实施方式
在示例性实施方式和附图中，为类似、相同或起到类似作用的元件提供了相同的参照符号。附图不应当被认为是按比例绘制的。相反地，为了更好地示出和/或更好地理解，附图中的单个元件的尺寸可能被夸大。
图1示出了根据第一实施方式的流体喷射阀1的示意性剖视图。流体喷射阀1可被包含在燃烧发动机中，优选地可被包含在直喷发动机例如直喷火花点火发动机中。优选地，流体喷射阀1是燃料喷射阀。它可被容纳在燃烧发动机的气缸盖中。
流体喷射阀1具有阀体10、电枢23、阀针11和阀座12。阀体10具有纵向轴线。阀针11可以在阀体10的内部轴向移动。在闭合位置，阀针11邻接阀座12以使得该阀针11将喷嘴闭合（该喷嘴被设置在阀座12中）从而防止流体被喷射阀分送穿过喷嘴。
电枢23可包括钢或由钢组成，尤其是铁磁性钢。电枢23可包括流体通道（由图1中的虚线示出）。
在本实施方式中，电枢23与阀针11形成单件元件。备选地，电枢23可被布置成能够相对于阀针11轴向移动。在这种情形中，阀针11可以例如轴向延伸穿过电枢23的开口，并且具有止挡构件，所述止挡构件能够限制电枢23相对于阀针11在从阀针11的闭合位置轴向离开的轴向方向上移动。以此方式，电枢23机械地联接到阀针11，以使得电枢23能够将阀针11从该阀针11的闭合位置移开，以便分送流体。
流体喷射阀1进一步包括电磁致动器组件2。致动器组件2包括第一线圈21和第二线圈22。致动器组件2还包括电气连接电路24。进一步，本实施方式中的致动器组件2包括磁轭25和极片26，所述磁轭25和极片26相对于彼此特定定位地配合。磁轭25可以作为用于容纳第一和第二线圈21、22的壳体。在轴向方向上，电枢23布置在阀座12和极片26之间。当阀针11处于闭合位置时，电枢23与极片26分隔开。
极片26可有利地具有轴向开口，所述轴向开口使阀体10的内部朝向喷射阀1的流体入口端延伸，该流体入口端与阀座12对置。流体入口端可设置有用于联接到例如流体轨的密封元件。在本实施方式中，流体入口端通过极片26的轴向开口和电枢23的流体通道来液压联接到阀体10的内部。在另一个实施方式中，阀针11是中空的并且流体从流体进入开口穿过极片26的轴向开口并且进一步穿过阀针11流动到阀体10的内部，流动到阀座12的喷嘴。
第一线圈21、第二线圈22、电枢23、磁轭25和极片26布置为形成磁回路。致动器组件2以下述方式布置：在操作电流流动穿过第一线圈21或者穿过第一和第二线圈21、22时，通过磁回路，磁力在朝向极片26的方向上施加到电枢23上。
流体喷射阀1进一步具有弹簧13，所述弹簧13能够将电枢23和针11在离开极片26的方向上-尤其是朝向阀座12偏压。在本实施方式中，弹簧邻接电枢23以使得电枢23传送力到阀针11从而将后者挤压抵靠阀座12。弹簧13尤其能够在致动器组件2未激活时将阀针11保持在闭合位置。
弹簧13的端部（该端部远离电枢23）可被安置为抵靠校准管14。在流体喷射阀1的装配期间，弹簧负载可以是能够通过轴向移动校准管14来进行调节的。校准管14可被布置在例如极片26的轴向开口中。在一个扩展中，校准管14包括燃料过滤器（附图中未示出）。
致动器组件2是以例如通过选择第一线圈21和第二线圈22的螺旋线数量的方式来构造的，以使得当至少致动器组件2的第一线圈21操作时电枢23上的磁力超过弹簧13的弹簧负载。第一线圈21和第二线圈22以下述方式布置：当除第一线圈21操作之外第二线圈22也进行操作时电枢23上的磁力增加。磁力超过弹簧力的量确定了可由致动器组件克服的液压力并且因此确定了流体喷射阀11可以操作的最大流体压力。
在本实施方式中，例如，第一和第二线圈21、22环绕阀体10和极片26同心地布置。优选地，第一和第二线圈21、22的螺旋线在相同的方向上卷绕。第一和第二线圈21、22还可备选地在轴向方向上被相继布置。
由于致动器组件2的这种构造，能够通过与电枢23的相互电磁作用来使电枢23抵靠弹簧13的偏压而朝向极片26移动。电枢23，转而，如上面描述的，通过相互机械作用来使阀针11移动。
通过电气连接电路24，电磁致动器组件2构造成在致动器组件2的第一操作模式下在不激励第二线圈22的情况下激励第一线圈21。进一步，电磁致动器组件2构造成，在致动器2的第二操作模式下通过该电气连接电路24激励第一线圈21和第二线圈22两者。
更具体地，电气连接电路24具有第一外部电气连接件241、第二外部电气连接件242和二极管243。第一线圈21和第二线圈22串行连接在第一外部电气连接件241与第二外部电气连接件242之间。第二线圈22与二极管243并行连接。二极管243的朝向以下述方式设置：在第一操作模式下，它使穿过第二线圈22的电流减少-特别地它使第二线圈22短路。以此方式，致动器组件2能够以简单方式在第一操作模式与第二操作模式之间切换。
图2a和2b示出了处于第一操作模式（图2a）和处于第二操作模式（图2b）的第一实施方式的致动器组件2的电路图。相应的电流由图2a和2b中的箭头指示。
在第一操作模式中（见图2a），操作电流被提供到电气连接电路24，如由图2a中的加号和减号指示的，该操作电流从第一外部电气连接件241流动到第二外部电气连接件242。有利地，操作电流是DC电流或者至少具有DC部分。
电流从第一外部电气连接件241流动穿过第一线圈21。因为在第一操作模式下二极管243在向前的方向上操作，所以它使第二线圈22短路（二极管243和第二线圈22两者并行连接）。因此，在第一操作方式下操作电流基本上完全穿过二极管243-而不穿过第二线圈22流动到第二外部电气连接件242。以此方式，在第一操作模式下在没有激励第二线圈22的情况下激励第一线圈21。
在第二操作模式中（见图2b），操作电流的电流方向反向。因此，如由图2b中的加号和减号指示的，电流从第二外部电气连接件242流动到第一外部电气连接件241。在这种情形中，二极管243在相反的方向上操作以便它阻挡操作电流。因此，在第二操作模式中，操作电流流动穿过第二线圈22并且穿过第一线圈21，以使得在第二操作模式下激励第一和第二线圈21、22两者都。
图3示出了根据第二实施方式的电磁致动器组件2的电路图。
根据第二实施方式的致动器组件2具有电气连接电路24，所述电气连接电路24不同于第一实施方式的电气连接电路。根据第二实施方式，第二线圈22和二极管243串行连接。第一线圈21与二极管243并行连接。
当DC操作电流从第一外部电气连接件241流动到第二外部电气连接件242时-即当致动器组件2处于第一操作模式时，二极管243在相反的方向上操作并且阻挡电流穿过第二线圈22。在第二操作模式中，因为具有相反的电流方向，二极管243在向前的方向上操作并且操作电流流动穿过第一和第二线圈21、22。
虽然，在两个实施方式中，由于电流方向相反，在第一操作模式时第一线圈21的磁场的朝向设置为在与在第二操作模式时第一和第二线圈21、22的磁场的方向相反，但是在两个操作模式中磁力以相同的方向施加到电枢23上-即朝向极片26。电枢23优选地包括具有小的记忆磁场的软磁材料，以使得由切换磁场方向导致的磁力和/或响应时间损失的风险特别低。
在第一操作模式中，可以通过根据本实施方式的致动器组件2来实现特别少的闭合时间，具体是因为在这种情形下仅与第一线圈21的阻抗相关。闭合时间具体是当穿过致动器组件2的操作电流被去激活时的时间与当阀针11到达闭合位置时的时间之间的时间差。在第一操作模式中，闭合时间可以是250μs或者更少，优选地是200μs或者更少。在一个扩展中，闭合时间是50μs或者更多。
在第二操作模式中，流体喷射阀能够在特别高的流体压力下打开，具体是因为第一和第二线圈21、22的感应系数增加到彼此之上以使得能够实现比只具有第一线圈21的情况下更高的磁场。例如，流体喷射阀1能够在200巴或者更高的流体压力时打开，例如在200巴到500巴之间的流体压力时打开。在变型中，流体喷射阀能够适于在柴油发动机中使用并且能够在2000巴或者更高的流体压力时打开。
在第二操作模式下的闭合时间可比第一操作模式下的更长。例如，它具有400μs或者更大的值。在一个实施方式中，在第二操作模式下的闭合时间可在800μs的范围内。
图4示出了燃料喷射组件的示意图，所述燃料喷射组件包括根据第一实施方式的电磁致动器组件2，具体地所述燃料喷射组件包括电源和根据第一实施方式的燃料喷射阀1。在本实施方式中，电源是发动机控制单元3。
第一和第二外部电气连接件241、242连接到发动机控制单元3。发动机控制单元3能够通过第一和第二外部电气连接件241、242提供操作电流到电气连接件24。操作电流可以是DC电流或者可至少具有DC部分。
有利地，发动机控制单元3能够通过使操作电流或其DC部分的电流方向反向来使致动器组件2在第一与第二操作模式之间切换。具体地，发动机控制单元3能够确定将由流体喷射阀1分送的流体量，以便将确定的流体量与预定阈值相比较并且以便相应地选择第一或第二操作模式，因为流体喷射阀1取决于确定的流体量与预定阈值之间的比较的结果。有利地，发动机控制单元3在确定的流体量小于阈值时选择第一操作模式，并且在确定的流体量超过阈值时选择第二操作模式。
在另一个实施方式中，发动机控制单元3能够确定将由流体喷射阀1分送的流体的流体压力，以便将确定的流体压力与预定的阈值相比较并且以便相应地选择第一或第二操作模式，因为流体喷射阀1取决于确定的流体压力与预定阈值之间的比较的结果。
在一个扩展中，流体喷射阀1液压连接到包括高压泵4的流体轨。原则上，这种流体轨是为所属领域技术人员公知的，并且因此，在此没有进行更详细的描述。
发动机控制单元3可额外地或备选地能够控制高压泵4（见图4）。优选地，发动机控制单元3构造成在致动器组件2以第一操作模式操作时为高压泵4设定第一压力，并且构造成在致动器组件2以第二操作模式操作时为高压泵4设定第二压力，所述第二压力大于所述第一压力。
本发明并不因基于这些示例性实施方式做出的描述的影响而受限于具体实施方式。相反地，本发明包括不同实施方式的元件的任意组合。此外，本发明包括权项的任意组合和由权项公开的特征的任意组合。