技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电磁操纵的燃料喷射设备。
背景技术
[0002] 将燃料喷射到
发动机的
燃烧室中的燃料喷射设备是众所周知的。电磁驱动的燃料喷射设备同样为人们所熟知。
[0003] 例如，
申请人的美国
专利US4934329公开了一种燃料喷射设备，该设备包括其上带有端口的主体，该端口根据与贯穿主体中的端口空腔的杆相连的电磁驱动
阀元件的操作来提供与燃烧室的连通。主体内的电磁装置被设置在阀杆周围，并且可操作地与之相连。因此，在选择性地对电磁装置进行激励和去激励时，阀元件可被移动以打开和关闭该端口。在这种情况下，电磁装置仅操纵打开和关闭端口的阀元件。将燃料传送到端口空腔中是在燃料计量单元的控制下进行的。燃料计量单元通常包括单独电磁驱动的燃料计量阀。
[0004] 美国专利US4934329中的电磁线圈具有与阀杆同心设置的线圈，并且阀杆上附连了与之同轴的
衔铁。衔铁能够进行有限的轴向运动，并且被
弹簧推至特定
位置上，该特
定位置通常为关闭位置。电磁线圈的激励会拉动衔铁，从而移动阀杆和打开端口，将燃料传送到发动机的燃烧室中。
[0005] 这种电磁线圈会遇到“硬着陆”的问题。即，在阀
门运动到打开位置的循环其间会发生高频冲击，同时产生几个不利因素。第一个是噪声振动和不平顺性(NVH)特性较差。即，噪声较大。疲劳应
力可也能会变大。到目前为止，这仍然是电磁喷射器所具有的问题。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种比较不容易受到“硬着陆”问题的喷射器。
[0007] 本发明的进一步的或另一个目的是提供一种具有可变行程的喷射器。
[0008] 考虑到这个目标，本发明提供了一种燃料喷射设备，其包括：电磁线圈；与阀元件耦合的衔铁，所述阀元件可被操作以在用
电流选择性地对电磁线圈进行激励和去激励时打开和关闭燃料阀，并且所述阀元件被
偏压装置偏压在关闭位置上；以及控制装置，其中所述控制装置激励电磁线圈以产生
磁场作用力，从而移动衔铁和阀元件以将阀门打开至传送燃料的打开位置，并且所述打开位置是在控制装置计算到促使阀门打开的作用力与促使阀门关闭的作用力之间的差值为预定值时达到的。
[0009] 该燃料喷射设备允许在衔铁与物理止动件的撞击变小或者衔铁不与物理止动件发生撞击的情况下到达打开位置。例如，在某些操作模式下，可能希望让阀门到达终点挡
块，但是是在减小的作用力和因此减小的NVH
水平下完成的。在这种撞击受到控制的情况下，打开作用力会比关闭作用力大，但是它们之间的差值会被控制装置控制在最小，以便获得所期望的结果(在极限情况下，该作用力可被设为零，但是考虑到实际应用和制造公差等，希望获得较小的正的净力)。在不使用本发明的情况下，不能对作用在终点止动件上的撞击力进行控制，因此不能减小NVH。
[0010] 优选地，所述阀门的打开位置是在控制装置计算到促使阀门打开的作用力与促使阀门关闭的作用力达到平衡时达到的。
[0011] 优选地，在使用中，根据喷射器的燃料流量要求改变阀门的打开位置。因此，喷射器的行程成为受控的参数，并且由此可被用来控制燃料通
过喷射器的流动速度，以满足可能使用该喷射器的发动机的不同操作要求。
[0012] 在另一个相关方面，本发明提供了一种操作燃料喷射设备的方法，其中所述燃料喷射设备包括：电磁线圈；与阀元件耦合的衔铁，所述阀元件可被操作以在用电流选择性地对电磁线圈进行激励和去激励时打开和关闭燃料阀，并且所述阀元件被偏压装置偏压在关闭位置上；以及控制装置，该方法包括：用所述控制装置激励电磁线圈以产生磁场作用力，从而移动衔铁和阀元件以将阀门打开至传送燃料的打开位置，其中，所述打开位置是在控制装置计算到促使阀门打开的作用力与促使阀门关闭的作用力之间的差值为预定值时达到的。
[0013] 优选地，所述阀门的打开位置是在控制装置计算到促使阀门打开的作用力与促使阀门关闭的作用力达到平衡时达到的。
[0014] 优选地，在使用过程中，在燃料阀形成喷射器的一部分的情况下，阀门的打开位置根据喷射器的燃料流量要求发生变化。因此，喷射器的行程成为受控的参数，并且由此可被用来控制燃料通过喷射器的流动速度，以满足可能使用该喷射器的发动机的不同操作要求。
[0015] 磁场作用力或线圈作用力是促使阀门打开的最主要的作用力。燃料压力也可形成促使阀门打开的作用力。
[0016] 促使阀门关闭并且与促使阀门打开的作用力相平衡的作用力包括：由偏压装置施加的偏压力，以及其它任何促使阀门关闭的作用力。这些作用力可能包括由
气缸的气体压力引起的可变力，其中在气缸这个地方，燃料喷射设备将燃料送入发动机；应注意到：在发动机运行过程中，这种气缸气体压力会发生显著变化。
摩擦力也可以包括在内。打开作用力与关闭作用力在阀门上的作用区域会有所不同。也就是说，促使阀门打开的作用力主要作用在阀门的内表面上，然而促使阀门关闭的作用力主要作用在阀门的外表面上。控制装置相应地会计算或者以其它方式考虑这些作用力。控制装置会考虑到这些作用力可能发生变化，即这些作用力可能是动态变化的。最常使用的偏压装置是弹簧，最常见的是
螺旋弹簧。该弹簧也可以是盘簧。也可以使用多个弹簧。该弹簧的
刚度或刚度特性可以是不变的。然而优选的是，该弹簧的刚度或刚度特性是可变的，以便关闭作用力随着阀门打开而变大。其刚度可以发生变化以适应应用场合和要平衡的作用力的性质。有利地，弹簧刚度可以被选择成具有比线圈作用力高的刚度(rate)或值，以使得阀门能够以更少的位移打开至线圈作用力与关闭作用力达到平衡的位置。
[0017] 衔铁具有有限的轴向运动范围或行程，并且根据本发明，所述行程长度是可变的。也就是说，控制装置可通过控制电磁线圈上的电流来控制磁场作用力。弹簧作用力或其它作用力要么对于给定的燃料喷射设备是已知的，要么就是可以通过计算得到。因此可以实现对衔铁行程上的作用力平衡点的控制，这种控制还允许对行程长度和阀门打开位置或升程进行控制。这提供了可以显著减小NVH的控制策略。
[0018] 在燃料喷射设备被用作直接将燃料送入发动机燃烧室的传送喷射器的地方，对行程长度的控制还允许将行程长度用作计量控制中的参数。阀门的行程长度或升程的变化改变了阀口处的燃料流动面积，并且因此改变了可通过阀口的燃料流量，即燃料流动速度。可选择地，可将限流器-诸如具有固定面积的孔口-结合在传送喷射器内，以便获得对燃料流动速度的进一步控制。
[0019] 可将对燃料流动速度的这种控制与空气/燃料比的控制结合为一体。在具有目标空气/燃料比并且气体流量已知的情况下，可通过控制装置将燃料阀打开至与所要求的燃料流动速度相对应的某个升程，以便获得目标空气/燃料比。这种控制可以是自适应的。在使用
液体燃料的空气辅助喷射系统中(例如在美国专利4934329中描述的那种，而且该文献的内容因此并入本文中以作为参考)，因此不再需要通过使用专用计量单元或计量喷射器实现了独立计量。在特别优选的用气体燃料运行发动机的情况下，计量控制的主要形式是通过控制传送喷射器的打开持续时间来实现的，并且可以通过以上述方式控制行程长度和燃料流动面积从而控制燃料流动速度来进行补充。
[0020] 偏压装置或弹簧可以由
磁性材料制成，并且用作传送喷射器的衔铁，从而减少部件数量和运动
质量。
[0021] 在关闭阀门的过程中，有利的是以受控的方式减小电磁线圈电流以降低阀元件的关闭速度。这是涉及减小NVH这一目标的另一个方面。可以有多种电流下降形式或特性。例如，电流可以变速下降、沿具有恒定斜率的单个斜坡下降、或者沿具有多个斜率但各斜坡分别具有恒定斜率的多个斜坡下降。在关闭操作中，可能会到达物理止动件(关闭)。对打开位置的控制也可以有助于减弱对关闭的撞击，因为与普通喷射设备相比能够减小打开位置与关闭之间的行程长度，从而减小作用在关闭上的撞击力。
[0022] 该燃料喷射设备可被用在任何一种发动机中，无论该发动机是两冲程的还是四冲程的，无论是使用液体燃料还是使用气体燃料的，无论是
歧管喷射还是直接喷射的。该发动机可以至少在某些发动机工作状态下用作火花点火内燃发动机。然而，在使用气体燃料的地方是特别有利的。因为气体燃料喷射的实施通常需要可承受较大撞击力的较大喷射器。对打开和关闭过程、并因此撞击力的控制因此特别有利于减小这种喷射器所具有的NVH问题。在这个方面，该设备正被用在用于减小发动机中的
汽车振动噪声的方法中。这种方法并不是以气体为燃料的发动机所专用的。然而，在此应用中，提供有用控制参数、行程长度、通过燃料喷射器的燃料计量的控制、在以气体为燃料的发动机中使用喷射、尤其是直接喷射的可能性的能力得到提高。
[0023] 作为更深层次的背景，汽车工业在近几年间的发展和趋势已经使得具有能直接将气体燃料喷入发动机燃烧室的系统所产生的某些潜在优势变得突出。这种系统不但有可能导致得到与现有系统相比更为简单的系统(其要求更少的机械部件，并且有利于改善对发动机气体燃料的计量控制)，还可能使得用户能够获得某些成本效益。
[0024] 在开发要将气体燃料(通常为氢气)喷入到端口喷射或MPI发动机的歧管中的气体燃料系统方面也已经进行了一些尝试。端口喷射系统需要将燃料喷入发动机的
进气歧管或进气口，其中由端口喷射器将燃料从燃料供应系统传送到发动机的各个进气口。可以使用单点或多点式端口喷射。由于燃料喷射具有相对较大的正时窗口(window oftimings)，因此端口燃料喷射非常适于提供既能满足
怠速状态又能满足最大功率状态需求的较宽的燃料添加范围(其对于高性能发动机而言会是一个相对较宽的范围)。然而，由于通常称作空气-燃料充填
短路的问题，端口燃料喷射系统，尤其是使用
活塞受控排气口的2冲程发动机中的端口燃料喷射系统具有较差的燃料经济性。这些发动机还容易产生不好的排放物。其它发动机，例如4冲程发动机，也会因为使用了端口燃料喷射系统(例如美国专利4934329中描述的那种)而具有差的燃料消耗量和/或增多的排放物。另外，由于将气体燃料送入进气系统会导致空气被置换，因此在高速和高负载下使用这种利用气体燃料的PI系统会引起功率损失。在使用氢气的情况下，预计因进入空气置换造成的功率损失约为30％。对于压缩
天然气(CNG)，功率损失可为约10％。
[0025] 为了克服这些
缺陷中的一部分，已经开发了燃料直喷系统并且成功地将其应用在这些发动机上。申请人已经开发了这种采用双流燃料直喷系统的发动机。然而，经济地提供具有控制和传送从怠速状态直接到高功率状态下的燃料所需要的调节比的燃料直喷系统可能是一种挑战。克服这种挑战的一个方法包括使用本发明以通过改变燃料喷射器的阀门行程来提供所需要的额外的燃料添加范围，从而满足发动机功率和
扭矩目标所要求的燃料需求。
[0026] 关于本发明背景的上述讨论内容是用来方便理解本发明的。然而，应意识到：该内容不是承认或认可提及的材料中的任何一种已被公开，或是已知的，或是在本申请的
优先权日之前的澳大利亚的公知常识的一部分。
附图说明
[0027] 本发明的方法和装置将更容易从下面对燃料喷射设备的一个优选的实际构造的描述中得到理解，其中在附图中示意性地说明了所述实际构造，并且在附图中：
[0028] 图1是具有包括根据本发明一个
实施例的燃料喷射设备的燃料直喷系统的内燃发动机的示意性的局部横截面图；
[0029] 图2a是在图1的燃料直喷系统中使用的燃料喷射器的示意性的横截面图；
[0030] 图2b是图2a所示的燃料喷射器的阀门的细节图；
[0031] 图3a和3b是图1和2所示的燃料喷射设备的打开和关闭作用力对衔铁位移的曲线；
[0032] 图4a是在打开图1和2所示的燃料喷射设备的过程中，电流对时间的曲线；
[0033] 图4b是在打开图1和2所示的燃料喷射设备的过程中，阀升程或行程的曲线；
[0034] 图5是不同燃料压力和阀升程或行程下的燃料流动速度对图1和2所示的燃料喷射设备的打开持续时间的曲线；
[0035] 图6是解释在关闭图1和2的燃料喷射设备的过程中的电流控制策略的电流对时间的曲线；
[0036] 图7a-7c示出了另外的电流对时间的曲线，其说明了用于图1和2所示的燃料喷射设备的另外一些电流策略；以及
[0037] 图8是图2所示的燃料喷射器的替换形式的示意性的详细横截面图，在该替换性的喷射器中，衔铁为盘簧。
具体实施方式
[0038] 图1示出了包括燃料喷射系统的直喷式四冲程多缸内燃发动机20的一个汽缸21。发动机20使用气体燃料，并且至少在某些工作状态下用作
火花点火发动机。汽缸21具有燃烧室60，
汽缸盖40和进气歧管22。燃料喷射系统向燃烧室60供应气体燃料。气体燃料例如可以是来自储存源或
燃料箱的LPG。燃料喷射系统包括燃料供应装置，该供应装置可采用燃料轨道单元11的形式，而该燃料轨道单元11可以是常规类型的，或者是在申请人共同待决的国际专利申请PCT/AU2006/000097(WO 2006/079172)和PCT/AU2006/000098(2006年1月27号提交的WO 2006/079173)中描述的那种，上述文献的内容因此并入本文以作为参考。因此，在本文中将不再就此作进一步描述。燃料喷射系统将气体燃料传送给电磁驱动的燃料或传送喷射器9。而不需要使用燃料
泵。
[0039] 现在参见图2以了解更多的细节，传送喷射器9具有壳体30，圆柱形套筒31从壳体下端伸出，套筒31带有喷射阀，喷射阀的端口32通过燃料通道与燃料轨道单元11连通以供应燃料，所述燃料通道的下部19具有比部分33大的环形流动面积。与阀口32相配的
提升阀元件或提升阀头34固定在管状阀杆35上。燃料喷射器9由电磁驱动。
[0040]
阀座由阀座元件61形成，其中阀座元件61通过诸如
焊接这样的恰当方式被附连在套筒31的端部。开槽
轴承62被压配合在套筒31的内孔63中。贯穿轴承的开槽使得在阀口32附近具有变大的流动面积19。该开槽轴承包括环形
套管64，其为喷射器的支柱(leg)35提供
支撑表面，并且提供引导以确保阀门34正确座落在阀座61上。
[0041] 电磁线圈40与管状阀杆35同心地设在壳体30中，并且被保持在壳体30的底部37与盖板38之间。电磁衔铁41附连在管状阀杆35的上端。衔铁41具有由间隙39指示的有限的最大轴向运动范围，并且受到弹簧42的向上推动以便在正常状态下使阀头34保持关闭阀口32的状态。弹簧42是具有可变特性或刚度的螺旋弹簧(在图8中示出了作为其替换物的盘簧)，其中弹簧的可变特性或刚度是通过反复试验或者通过把弹簧刚度与燃料喷射系统的特殊应用联系起来的设计
算法确定的，以适合燃料喷射系统的特殊应用。当弹簧42为盘簧的形式时，其可被用于提升阀头34的径向定位。
[0042] 处于常态的弹簧42受到压迫，从而向阀杆35施加向上的作用力，以将阀头34保持在关闭位置上。可以通过调节校准
螺母43来调节弹簧42上的预压力或预加荷载。
[0043] 线圈40被设置在芯45周围并且被卷绕起来，以便在受到激励时产生磁场，从而下拉衔铁41。衔铁41的向下运动将导致阀杆35相应地进行移动，从而打开喷射阀口32。在线圈40被去激励时，弹簧42将升起阀杆35，从而关闭喷射阀口32。在传统的电磁驱动的燃料喷射器中，衔铁41向下运动的程度会因衔铁41接合芯45的上台肩106而受到限制。这就是产生“硬着陆”问题的原因。
[0044] 燃料喷射设备的操作受到
电子控制装置或控制单元(ECU)170的控制。可用合适程序对ECU170进行编程，以根据感测一系列的发动机工作状态并且对其进行处理从而产生合适的电
信号的各种已知程序调节电磁线圈的激励，从而对螺旋管或类似设备进行操作以调节传送给发动机20的燃料量。
[0045] ECU170响应于发动机20的燃料需求，并且将因此保持一段时间的激励，在这段时间内，将允许从燃料喷射阀口32传送所需量的气体燃料以满足该特定周期下的和与发动机20的工作状态有关的发动机需求。也可以通过改变电磁线圈的激励时间、或者通过每次以固定周期激励电磁线圈但是改变发动机20的各个循环中对电磁线圈的激励周期个数来完成对燃料供应的调节。
[0046] ECU170还对电磁线圈进行操作以减小/避免撞击或改变衔铁的行程长度。根据盘簧42的弹簧特性或刚度对ECU170进行编程。ECU170还控制线圈40的电流供应，并由此控制作用在衔铁41上的磁场“打开”力，因为这个感应磁场作用力与电流直接相关。ECU170还感测其它数据，诸如发动机速度、发动机需求、气缸21的压力和/或
曲轴位置等，以便能够计算除弹簧作用力之外的其它促使传送喷射器9关闭的作用力。这些参数可参考所采用的ECU170的复杂化来选择。即使在忽略了一些较小的作用力或者只是对它们进行了简单估算的情况下，也仍然能够获得一些优点。
[0047] 通过激励电磁线圈40来打开传送喷射器9。具有已知电流的这种激励产生确定的磁场或线圈作用力B。根据弹簧刚度来对ECU170进行编程，以便能够知道在衔铁41行程上的任意一点上，由弹簧42施加的闭合力S。图3a示出了在激励线圈40时逐渐变大并且超过由弹簧42施加的闭合力的线圈作用力。传送喷射器9正在打开。然而，弹簧42所施加的闭合力也在增长，并且其增长速度要比线圈作用力在线圈40内的电流为0.7A时的增长速度大，这就是使用具有可变弹簧刚度的弹簧42所产生的效果。
[0048] 这些作用力在位移量为0.15mm时达到平衡，该位移量对应于可以以需要的方式通过端口32传送燃料的阀门打开，并且它是通过对燃料喷射设备进行标定得到的。由于衔铁41不会与芯45的台肩100发生碰撞，因此避免了引起噪声的撞击。从而相应地减小了NVH。
[0049] 图3a还示出了在电流为3A时，电流控制(current control)是怎样产生一直比闭合弹簧力大的线圈作用力的，在这种情况下，衔铁41会以不利的方式在物理止动件处发生撞击。图3a和3b的曲线是说明性的，因为其中只举例说明了线圈力和弹簧力。然而从这些曲线中容易认识到：可以通过恰当选择弹簧特性和电流控制(如图所示那样)来控制弹簧力和线圈力，以使得这些作用力达到平衡，以及阀门在不发生硬着陆的情况下打开。
[0050] 例如，图3b示出了如何凭借合适的电流控制，通过弹簧力和线圈力在整个行程处达到的平衡以可忽略或无撞击的方式实现软停止。
[0051] 作用在发动机20中的燃料喷射设备上的力是动态变化的，其根据发动机20的工作状态的变化在短的时段中快速变化。促使传送喷射器9关闭的其它值得注意的可变力是汽缸气体压力施加的作用力C，该作用力也可以在已知发动机20的工作状态的情况下由ECU170对发动机循环周期中的给定点进行计算得到。在计算由汽缸气体压力施加的关闭作用力和控制形成力C和S的合力的平衡力B所需要的电流时，ECU170会考虑发动机20的这些工作状态。于是将相应地对电流进行控制，例如将电流保持在近似不变的值上，以使得能够通过达到作用力平衡在不与物理止动件发生撞击的情况下到达衔铁41的打开位置。图4a、6和7示出了在打开过程中以及持续期间可能的电流
波形；每个波形的特征都是电流快速上升至目标保持电流，并且在要求的打开持续时间内，电流保持为所述目标电流。
[0052] 上述原理也可以被用来实现对燃料流动速度的控制。可以对燃料喷射系统进行标定，以使得衔铁41的位移对应于已知的燃料流过阀口32的速度。也就是说，将阀元件34打开或提升至某一位置就对应于已知燃料流动面积，并且通过燃料流动速度与燃料流动面积之间的关系，也因此知道燃料流动速度。由此，ECU170可以通过
控制阀元件34的升程或行程长度来改变端口32处的燃料流动面积，并因此改变可以流过阀口32的燃料流量，即燃料流动速度。通过这种方式，可以将行程长度用作控制参数来通过传送喷射器9的阀口32计量燃料量。虚线320示出了通过阀口32得到计量的燃料的行进路径。同样地，弹簧作用力S是已知的，并且对于给定的发动机20的工作状态，由汽缸21的气体压力所提供的作用力C也是已知的。ECU170于是控制线圈40上的电流以得到线圈作用力B，该线圈作用力B允许在将阀元件34打开至与所需要的送入燃烧室60的燃料流动速度相对应的位置或升程时实现力平衡。然后，ECU170控制传送喷射器9的打开持续时间或脉冲宽度，以允许将所需量的燃料传送给燃烧室60。图4b示出了阀升程是如何随线圈40上的电流发生变化的。当电流较低时，线圈力也较小，相应地具有较小的升程。通过比较图4b的电流曲线与相应的升程曲线可以证明这点。
[0053] 图5示出了在不同的燃料压力下，燃料流动速度如何随传送喷射器9的脉冲宽度变化的情况。将观察到：在给定的燃料压力下，燃料流动速度随着阀升程的变大而变大。并且还将观察到：在大于某一最小脉冲宽度之后，曲线变成线性的。因此，让脉冲宽度大于约2ms的控制策略是有利的。
[0054] 对燃料流动速度的控制允许例如根据空气引入策略控制燃料喷射设备。ECU170备有空气流量数据，并且查询图提供了用于各种发动机工作状态的期望或目标空气/燃料比。在已知空气流量的情况下，可以对燃料添加进行设定以获得目标空气/燃料比。ECU170可以控制燃料添
加速度(按照上述方式)和传送喷射器9的打开持续时间来获得目标空气/燃料比。在使用含
氧传感器(lambda sensor)时，ECU170可以使电流控制策略和线圈作用力用于获得允许适当控制空气/燃料比所必需的阀升程。
[0055] ECU170安排喷射
进程以便能够针对给定的发动机20的工作状态以及要求的燃烧
稳定性和操作性传送合适量的燃料。
[0056] 在关闭燃料喷射器9的过程中，在ECU170的控制下减少电流，从而减小促使衔铁41朝向其打开位置运动的磁场作用力。由于衔铁41行程上的各个点上的弹簧力是已知的，因此ECU170可以控制电流形成抵抗该弹簧力作用的磁场作用力B和允许以受控的衔铁
41运动速度关闭阀门的产物关闭合力。这使得衔铁41能够在阀门关闭时实现“软停止”。
ECU170可以以多种方式控制电流以实现这种软停止。图6和7示出了可能的电流控制策略，其中心是以受控的速度减小电流，从而减小衔铁41在关闭时的速度。将从图7中注意到：在电流是逐渐下降而不是突然切断的情况下，阀门的反弹变小了。即使不是将电流一直降至零电流而是在经历初始下降之后将其切断，也只会发生较小的阀门反弹。理论上，只要让电流以相对低的速度下降，就有可能避免阀门发生反弹。
[0057] 本发明的燃料喷射设备和方法的
修改和变化对于阅读了此公开文本的本领域技术人员而言将是显而易见的。这些修改和变化被视为落在本发明的范围内。例如，图8示出了燃料喷射器，其中盘簧42用作衔铁以减少部件的数量和运动质量。同时还示出了有效间隙39，盘簧42的周边座落在非磁性部件或隔离件140上。除气体燃料以外的其它燃料也可以容易地被用于落在本发明范围内的燃料喷射器中。
