电磁驱动燃料喷射阀 本发明涉及一种电磁驱动燃料喷射阀。
根据本发明的燃料喷射阀,当从下游向阀座看去时,它与例如在德国专利No.35 33 521中所说明的分配喷射阀那样的现有技术的喷射阀的外形相似。
另一方面,从功能方面,即关于燃料输送,根据本发明的电磁燃料喷射阀同例如由欧洲专利申请No.EP-OS 0 057 407公开的那种旋流阀只有表面的相似性,其中根据本发明的燃料喷射阀所输送的燃料以圆锥薄层的形式离开阀。然而,恰恰在这一方面,本发明和已知的旋流阀之间在外形和工作原理有本质的差别,这种差别特别在事关重大的微滴直径方面显得更加突出,这是因为前者得到更小的微滴直径。因此,在下文中,将特别针对这种已知的旋流阀的运行进行详细的讨论,其中通过通常位于阀针座上游的涡旋的延伸,使由计量孔逸出地燃料呈旋流状,以便最终使其张开为圆锥形的薄层。
除了上述的分配喷射阀和旋流阀之外,还知道一种所谓开孔喷射阀(见德国专利No.DE-OS 40 26 721)以及冲击式喷射阀(见美国专利No.4,982,716)。
所有这些阀都比通常的单孔阀提供了更佳的燃料处理特性。在燃料通过固定孔板调节的并包括盖板阀在内的开孔喷射阀中,有个常常为球形的孔板,使进流燃料在喷射角及其它方面得到优化。如果存在孔板,这些孔板常常开有斜孔,德国专利DE-OS 4 026 721中位于阀球下游的孔板就是这种情况。
然而,即使出现最轻微的扰动,喷射孔的进流也会变得不对称,因此喷射角动态性能不一致,并由于燃料在点火前具有很长的喷射长度及预定喷射角很小,致使燃料互相碰撞,失去雾化作用。孔的数量不可能做得如极精细的调节所要求的那样多。
在旋流阀中,特别是在喷出边缘的直径比燃料薄层的厚度小得多的情况下,通过精细调节也不可能补救的结构问题是很明显的。这样就造成很高的出口扰动,这种扰动又造成有害的波动段,而附加的涡流使这种情况进一步恶化。
在产生实际涡流时也可以有滞后,即这些阀起到动态滞后的作用,例如在开始喷射时形成一个笔直的流。由于它在理论上基于旋流原理,因此它本身固有的摩擦力就比较高。由于在旋流阀内薄层中表面能量所占比率较少,因此不能形成为最佳调节所需要的那样大的圆锥角。
但是,由于本发明旨在使喷射燃料形成空心圆锥薄层那样的特殊分层,为了同众旋流阀的性能进行区别和比较,要提及的是,在后者中(为了便于理解而提供了定量值)所达到的90度圆锥角对于小的索特尔(Sauter)平均直径(SMD)来说是有利的,但就其功能来说,该圆锥角则太大,这是因为,单点喷射系统需要的圆锥角≤60度,而多点系统需要的圆锥角≤25度。
此外,可获得的燃料压力通常很低。当阀启动时,射出燃料的压差和有关的速度都很低,以致造成前述的笔直流,这是因为:必须使很长的涡旋流体柱加速;初始阶段只局部开启的阀座的开口横截面小于旋流装置或计量间隙的横截面,以致在初始阶段,座中的燃料达到最高速度,而这对于调节过程来说却毫无用处;以及在将阀打开的冲程中泵的体积必须首先充满。
为了顾及全面,还应提到,在例如美国专利4,982,716中的冲击阀中,燃料流流向障碍物,通过该障碍物,燃料流可以变形为例如紊流的圆锥形薄层或扇形流。在该冲击阀中,也可使两个流相向流动。
如果通过空气喷射改善这种阀的燃料状况,那未尽管最后得到的索尔特直径可以约减少一半,然而微滴速度一般还是增加到原来的三倍,这就影响了想要得到的最终结果,即具有低的微滴速度的雾化的细颗粒燃料。
本发明目的是提供一种电磁驱动的燃料喷射阀。该阀简单,而且制造成本很低,并产生一般为空心圆锥或钟形的基本上无扰动的分层的燃料薄层。根据本发明的燃料喷射阀在全部喷射时间内保证微滴有很低的速度以及形成极小的微滴,使燃料同流入发动机内的空气很好地混合。
本发明在电磁驱动喷射阀中产生空心圆锥形燃料薄层,该喷射阀功能和结构上与已知的旋流阀无重大区别形式,所以燃料薄层是通过在阀座的下游设置专门的雾化板从而形成环形计量间隙而产生的,所述环形计量间隙与旋流阀的功能却截然不同,它保证在所产生的空心圆锥形燃料形状中具有的分层的特点,其中较佳的向钟形的转变归因于表面张力和空气动力。
根据本发明的燃料喷射阀在形成很小的微滴时产生具有极佳的径向和周向喷射角分布的多层的燃料薄层,甚至在吸入岐管(多点)内是真空的情况下这些要求变得更加严格时也是这样,在这种情况下微滴的减速较小。
根据本发明的在阀座的下游带有计量间隙的电磁驱动燃料喷射阀的构造,使其对沉淀、由磨损导致的冲程变化以及外来颗粒的影响极不敏感。此外,根据本发明的燃料喷射阀在计量间隙和阀座之间提供特别小的死区体积,这是因为在高温下,这种燃料体积通常蒸发,而当阀打开时,它必须经过密封座被首先带出,而无需精确计量。
通过中央雾化板由两个边缘构成的环形计量间隙的结构在流体出口处产生很薄的圆锥形薄层,该圆锥形薄层是层状的,并且有流动特性。也可以产生一个摞一个的多个同心薄层。这些薄层在微滴雾化(分裂)点处特别薄,从而产生很高的表面能量,该能量可以以很小的损失转变为微滴表面能量。燃料薄层的表面能量越大,从圆锥形变为钟形时所转换的包括曲线部分的运动的径向能量越多,以至在流射出后,薄层以理想的方式迅速变薄。然后,燃料薄层可以沿与吸入岐管的壁平行的方向延伸,从而避免此处的微滴产生碰撞。
因此,本发明有下述特征,它还避免空心式的薄层快速、不规则的分裂,这是由于:燃料薄层开始时在阀的出口处其两侧都受到引导;在阀出口处的薄层已经很薄;流的截面很快地向着形成计量截面的环形收敛部收敛;收敛部后面的薄层分离角约为90度;以及刃口边界、因此还有流的边界大致与在刃口环形收敛部范围之内的流对称。
结果,特别是由于薄层在阀出口处两侧受到引导,就会避免由于不对称地向内流入环形间隙而引起的厚度变动。再进一步沿薄层,在薄层出射处的低雷诺数Re使薄层中的不规则性得以避免,所述雷诺数与薄层的厚度成正比。此外,在薄层出射点处流体内的很高的剪应力掩盖了质量惯性的影响,即由于高度收敛而造成的流速对收敛部的较高梯度产生薄层状边界层,从而避免边界层的不连续分离。由于由薄边界层导致的很高的剪应力使灰尘和沉淀得以除去。
在这一点上,其优点特别在于(例如)两个环形计量间隙的结构,这两个环形计量间隙互相同心设置,并通过独立的输送槽和一个环形分配器被提供燃料。也可以不要从下游方向堵住燃料喷射阀的雾化板的固定静态构件,而是使喷雾板成为阀针的一部分,以便当阀打开时,形成环形计量间隙的一个尖锐的环形边缘相对于另一个环形边缘移动,然后,在喷射过程的稳定状态下保持恒定的间隙。
图1示出根据本发明的燃料喷射阀的第一个最佳实施例,其固定雾化板静态地设置在阀的下开口处。
图2示出根据本发明的燃料喷射阀的第二个最佳实施例,该实施例有两个环状计量间隙。
图3为根据本发明的燃料喷射阀的第三个最佳实施例局部放大图,该图示出了雾化板,该雾化板有两个或更多沿流体方向收敛的计量间隙。
图4示出根据本发明的燃料喷射阀的第四个最佳实施例,其中环形计量间隙的配置包括作为雾化板的阀针状末端。
图5示出图4的X区的局部放大图,以更好地示出环形测量间隙收敛部分的形状。
图1示出根据本发明的电磁驱动燃料喷射阀的下部剖视图,阀在上部可以设计和布置得和德国专利No.3533521的燃料喷射阀大致相同。作为阀针7配置的阀的封闭件借助于具有棱边形状的导向部6安装在喷嘴体2的外壳3内,该导向部在喷嘴体3的导向孔1中引导阀针7,并为燃料留下打开的轴向通孔。这些导向部可以例如设有4个侧面。
图1只示出内喷嘴体部分,而未示出装内喷嘴的外阀壳,同时还示出了在外阀壳和喷嘴体之间的密封21。燃料从外部空间25经过环形过滤器4和横向孔5以及导向部6到达环形燃料分配器8,该分配器从流动方向看来位于阀座9的前面,燃料圆环状对称地从分配器8通过,到达阀座9。
当燃料喷射阀适当地作动时,阀针7离开其阀座9,燃料经过分配口16到达环形计量间隙。处在向具有缩径的阀座过渡的雾化板座22的那段还形成分配器开口16,该雾化板座设置在下游靠着喷嘴体,其上具有搭接孔,通过例如压接而形成固定连接。在雾化板座22上,开口向下的孔23的内周上分布有供燃料流过的沟槽10;该孔23容纳并支承雾化板15。在雾化板座22和雾化板15互相面对的边缘区域形成面对面的凹沟,这些凹沟形成环形燃料分配器11。任何一侧凹沟23a和23b相向向外伸出,形成环形边缘13、14,这两个边缘相互面对面对准,并形成锐利的环形开口间隙,其向外方向与轴线夹角为α=45度。特别应该指出,这里和下文指出的数值仅仅是为了更好地理解本发明,而不是限制它。
这两个边缘13、14形成环形计量间隙12,燃料呈圆环形对称的形式经过阀座9、分配器16、狭槽10和环形分配器11流向该环形计量间隙。
然后,以例如与轴线成45度的出射角α喷射出雾化的燃料薄层20,由于在雾化锥内侧的燃料表面张力和较低的气压,该薄层弯曲成钟形,使得雾化直径d″处的角β小于角α。
在环形边缘13、14之间形成的环形计量间隙是宽度为t′物小窄缝,当大体积的燃料要喷出时,最好将环形计量间隙的直径尽可能做得大些。但这并不一定意味着具有更大输送燃料的死体积及相应增加开关惯性和阻尼,这是因为向上伸出,即与流向相反地伸出的圆锥形雾化板占据了上述体积空间。此外,在雾化板上例如图1的虚线所示的更大的突起甚至可更大地减少死体积。
结果是,高度收敛的进流流向环形计量间隙的收敛部,流体截面相对几何开口面积减少了0.64-0.9倍,该倍数为随进流角度变化的收缩系数。在这里,以及所有其它使用数值的作为示范的实施例中,这种资料仅用于增进对本发明的理解,而不构成任何限制。
出射角α位于环形间隙处,它是一个恒量,与压差δP无关。但是,由于本发明所保证的高度有效的表面张力使得角β在例如阀打开之后的一段时间随压差δP变化,由此产生的另一个优点是,在阀开启之后的稍后时间内,在更大的δP下产生的微滴可以不发生碰撞地越过早先产生的、速度较慢的微滴。
由于在环形计量间隙处收缩得非常窄,在燃料以出射直径d′刚刚射出时,燃料薄层非常薄,在经过图1所示的路程L之后,在大致与厚度无关的雾化点处,燃料薄层被均匀拉伸得更薄,其扩大的圆锥直径为d″。
这样,就可以得到与汽油的质量相比而言大得多的空气体积用于工况调节。在开始喷射时,这个大的空气质量代表一个大的惯性质量,该惯性质量在空气和能量交换所需要的燃料之间提供不同的速度。稍后,在喷射过程中,雾化点处的空气具有与燃料薄层的运动垂直的固有的紊流运动,在燃料薄层的厚度减小时该紊流运动促进工况调节,稳定雾化点的位置,并且以需要的方式减小图1所示的γ角。在这种情况下,雾化点的稳定是靠燃料薄层的厚度均匀促成的,这与旋流阀是不同的。
旋流阀的速度系数(即压力能转换为速度能的效率)约为0.5,而在目前本发明的情况下几乎为1。这样,当将本发明的最佳实施例付诸实践时,可以有更大的工况调节能量。在旋流阀中,很低的速度系数高度依赖时间和温度。因此,在做为喷射时间的函数而调节的过程中,这会导致很大的、有时是不能令人接受的调节范围的变化。
在雾化板座处的尖锐边缘以及环形狭缝还保证在此区域只有非常少的灰尘沉积,这是由于沉积大部分是在内燃发动机的冷却状态下,并从残留的带油湿气中产生。由于表面张力的原因,该沉积被从刃口处拉回。此外,与刃口垂直的高的流速梯度通过计量的燃料提供很好的清洗作用。
所得到的微滴颗粒的直径只有大约50μm。结果,微滴颗粒的空气阻力特别高,并且由于在雾化点t″后面的微滴所产生的气流的缘故,角β向γ的减小相应地从阀移向下游较远处。
设置多个同心缝隙来取代图1所示的一个环形缝隙可能是有利的。在图2中,出现两个互相同心排列的计量间隙26a,26b,这两个计量间隙通过雾化板或插入件的输送狭缝或通道以及与此相连的环形分配器28a,28b被供经燃料。
图2所法的最佳实施例直到针阀7的阀座9都大致与图1的实施例相对应,在阀座9以下,图2所示的最佳实施例具有第一个雾化板座22′,该座通过独立的环座29安装在喷嘴体2的外壳3的下端。雾化板座22′装有雾化板插入件30,该插入件同雾化板座一起,以前面所述方式形成环形计量间隙26a,且该插入件还在其孔中容纳另一个雾化板插入件31,该插入件31与插入板30一起形成第二个环形计量间隙26b。
多个这种同心环形缝隙(在图2中仅示出两个计量间隙26a,26b)的直径依次相应减小;它们加起来全长在相同的缝隙宽度和截面的情况下还是一样的。这种设计的优点在于:在任何情况下都比旋流阀小的死体积可以进一步减小,并且会毫无疑问地小于旋流阀的死体积;根据公式dt/t′dL=sinα/d′,沿着路程长度dL的薄层直径d′处的薄层厚度t′的发散可以增加较小的Δd′;由于全程长度L是一恒量,因此表面能量增加,不等式β<α的差别更大;多个圆锥形的薄层使γ<β的微滴路径的曲率增加,这是因为在仅有一层的圆锥形薄层内侧的空气沿轴向稍稍向后流动,而多层圆锥形薄层则避免了这种向后的流动,以致将空气更有力地拉向雾化锥的边缘,并将其向外、向前推,与此同时,向内拖曳微滴。
图3示出本发明的局部放大的最佳实施例,该实施例为一般雾化板15′,其中,沿流动方向收敛的两个或更多计量间隙40、41设置在表层47上。雾化板体上表层的定位及其间隙的定位形成分离角约为90度的圆锥形外喷射角。燃料从分配器16′通过流入孔44、45流向环形分配器42、43,然后流向环形计量间隙。
在图3中,给出的各种尺寸的定量说明是为了更好地理解本发明,而不是为了限制它。如图所示,流入孔44,45是空间偏置的。最后,本发明的另一个变型的有利之处在于,喷射位置可以设置得同阀针一起移动,例如图4所示,使阀针也起到雾化板的作用。在图5中,将图4中重要的细部X放大,标以相同的件号,并加以更详细的说明。
在图4所示的最佳实施例中,将燃料送入阀座51和实际的阀结构52之间的空间50中。燃料流过环形过滤器53,经过喷嘴体55上的横向孔54以及在喷嘴体55和阀的导向套筒57之间的纵向槽56到达环形燃料分配器58。燃料从燃料分配器中,以圆环形对称的方式流经阀座9′到达环形计量间隙60。如图5所示,形成该环形计量间隙60的两个相对的环形边缘61和62同阀的轴线形成大约60度的锐角的出射角α。参与形成环形计量间隙的部件的互相相对的内表面围起一个大约90度的角δ,而锥削至尖锐周边端缘的外表面与内表面所夹的角度例如是30度。
在图5所示的最佳实施例中,在阀针端部形成下边缘62,该端部在此形成雾化板15′,该针阀端部的形状为向下呈圆锥形收缩。环形计量间隙60的与下边缘62相对的上边缘61由一个喷嘴体55的倒圆锥裙板构成。
未喷射的燃料经过纵向槽56流向环形分配器64,再从分配器64例如通过磁体气隙65和磁体线圈67中的槽66到达环形分配器68,最后,燃料从这里经过未在图中示出的过滤器进行再循环。
当在阀针7′和轴承69之间存在间隙时,阀针在其圆锥形的上挡肩部70中绕M点旋转,圆锥形表面的一条法线过M点。在轴承座69和计量间隙60之间的间距根据轴承69和M点之间与计量间隙60和M点之间的距离之比而大大减小了。如果M点大致位于沿周缘61、62的延伸部分上,计量间隙60的第一级近似值不随轴承座69内的间隙而改变。阀的静态体积可以通过形成挡肩70的管子57的移动来调整,该管子构成阀的导向构件。挡肩70磨损时,静态体积减小;如果磨损出现在密封座上,静态体积增加。如果设计得当,其平均值是可以补偿的。
在图4和图5所示的最佳实施例中,燃料薄层20以与垂直轴线约成60度的α角喷出。由于可得到的微滴直径约为50μm或更小,其空气阻力特别高,这也是喷射角从出射角α向角γ减少的原因。
图1至图5的最佳实施例导致其它的优点,它们包括:边61和62形成的低损失流入角δ=90度消除了低频紊流;阀座9′具有低损耗锥度;尖锐的和圆环形对称的边缘61、62避免了在出射时产生的薄层减速和周期性微滴分裂;以及薄层20大致与喷射边缘的圆锥形外边界垂直,即与收敛的起雾化板作用的阀针端部15′的边缘71的外表面和收敛的喷嘴体55的边缘72的外表面垂直。
如图4和图5所示,在静止空气73中,γ角比多点喷射的γ角大得多。但是,流动空气73在薄层的出口达到全速,该流动空气向薄层施加空气阻力,所述空气阻力甚至大于最小的微滴的阻力,并且实际上对于连续薄层来说该阻力是连续的。这样,不仅β角减小,而且在多阀发动机中,特别是当喷射时序被正确地设定时,燃料正如所希望的那样被吹到打开的吸入阀。因此可以消除吸入岐管上的湿气。
根据本发明的喷射阀能够提供微滴,该微滴在静态和动态下的直径比(例如)以旋流阀为基础的那些已知的系统中的那些微滴大约小40%或者更小。参见图4和图5的最佳实施例,其中喷出点随着针移动,其附带的结果是,在行程中薄层的喷射角α减小,并使薄层的超越现象减小到最小。此外,薄层能作与运动方向相反的附加转动,对于工况调节来说,这是个很大的优点。