用于燃烧发动机的燃料系统的阀和控制燃烧发动机的燃料系统的方法

摘要

本发明涉及一种用于燃烧发动机的燃料系统的阀(4、4')，其包括设有空腔(28)的滚珠保持架(26)，所述空腔用于容纳滚珠(22)，所述滚珠(22)具有主密封表面(30)，所述主密封表面用于与基座(32)配合并密封地抵靠该基座。所述滚珠保持架(26)具有次密封表面(34)，所述次密封表面用于在所述滚珠(22)不处于滚珠保持架(26)中时与基座(32)配合并密封地抵靠该基座。本发明还涉及一种用于控制燃烧发动机的燃料系统的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前述部分的用于燃烧发动机的燃料 系统的阀。本发明还涉及一种根据权利要求15的前述部分的用于控制燃烧 发动机的燃料系统的方法。

背景技术

一种降低从柴油发动机的排放物排放的方法是将燃料在高压下喷射到 燃烧室中，通常涉及所谓的共轨系统。共轨系统包括高压泵，所述高压泵 在高压下将燃料泵至位于泵和发动机汽缸之间的储存容器中。容器中的燃 料预期分布至所有汽缸。来自容器的燃料由电操作的燃料喷射器喷射到相 应汽缸的燃烧室中。燃料喷射器必须能够很快地开启和闭合，且由电控单 元操作，所述电控单元基于各种发动机参数(尤其是发动机负载和发动机 速度)的信息基本上持续地计算要供送至相应汽缸的燃料量。

上述燃料系统包括阀，所述阀设有成滚珠形式的密封元件、滚珠保持 架和基座。滚珠为了抗磨损例如可由陶瓷材料制成。然而，陶瓷材料是脆 性的。错误的处理或比如在阀要闭合时硬的外来颗粒与滚珠产生接触的情 况可导致滚珠分裂成多个小碎块并被带走，从而导致阀不再密封。

如果阀充当燃料系统中的安全阀且不再密封，燃料就将被引回燃料容 器。如果所述阀位于高压泵和燃料喷射器之间，这就意味着喷射器将不会 被供送与以前相同量的燃料，从而导致发动机产生较低的动力输出或得不 到能够操作的充足燃料。

此外，如果阀处于燃料喷射器中，作用在阀保持器上弹簧预载将由于 降低的预载而减小，从而也导致阀不能抵抗如滚珠处于阀中并抵靠基座密 封时那样的大压力。这导致阀不再密封，从而不再可能控制到发动机汽缸 中的燃料配量。

不受控的燃料喷射导致汽缸中的燃料过量，从而意味着排放系统将接 收大量未燃烧的燃料，其潜在后果是可损害排气后处理系统并极大降低其 使用寿命。当发动机处于高负载下时，排气后处理系统中的燃料也可点燃， 在其中引起不期望的温度上升并由此进一步损害排气后处理系统和降低其 使用寿命。还将增加燃料消耗和排出气体中的排放物。

存在多种可能的方式来探测不受控的燃料喷射，例如发动机控制单元 可测量排气后处理系统中的氧化催化器之后的排气温度。如果该温度增加 得过快，就很可能是产生了不受控的喷射。发动机控制单元还可测量在每 次汽缸点火时的飞轮的加速度。如果任何汽缸给予飞轮偏离的加速度，就 也可表明不受控的燃料喷射。发动机控制单元控制从高压泵到燃料喷射器 的流动。如果发动机控制接收到来自泵的信号以反常地急剧增加流量，就 同样也意味着产生了不受控的燃料喷射。

在已检测到不受控的喷射时，为了防止使用寿命降低和损害排气后处 理系统，目前所采用的措施是抑制到燃料喷射器的燃料供送，从而导致发 动机自动地关停。

替代性地，驾驶员被警告已产生了阀故障，从而使驾驶员关停发动机。 这由于不可能使用发动机以将车辆行驶至工场来采取补救行动而成为主要 缺点。

现有燃料喷射器及其功能的一个示例在SE-C2-529810中提及。喷射装 置包括用于在第一正压力下接收燃料的通道、增压器和可被置于开启位置 和闭合位置的喷射阀。该喷射阀包括活塞元件、闭合室和敞开室。

当燃料预期喷射时，增压器在敞开室中产生较高的第二燃料压力，使 得活塞元件移向敞开位置且燃料喷射。当燃料的喷射要停止时，敞开室中 的高压被降低，且闭合室在第一压力下连通至该燃料源，使得阀通过由第 一压力和所述弹簧装置联合提供的力而移向闭合位置。

鉴于现有阀的上述缺点的背景，需要一种用于燃料系统的新的阀。

发明内容

本发明的目的是为燃料系统提供一种阀，该阀能在阀中已经产生故障 时仍执行阀功能。

本发明的另一目的是为燃料系统提供一种阀，该阀在不受控的燃料喷 射的情况下仍能够使发动机运行。

这些目的根据独立权利要求中表述的特征通过一种用于燃料系统的阀 和一种用于控制燃烧发动机的燃料系统的方法来实现。

这种阀将在该阀中已经产生故障的情况下仍执行阀功能。在这种情况 下，发动机可仍用于将车辆行驶至工场，以更换或修理该阀或燃料喷射器。

滚珠保持架的形成了阀的一部分的空腔可以是各种不同形状，例如球 形圆顶形状或圆锥形。空腔的尺寸使得滚珠的主要部分被空腔所包围。例 如在空腔为球形圆顶形状的情况下，该球形的直径大于滚珠的直径。

主密封表面设置在滚珠和基座之间的接触表面处。例如在滚珠的直径 为大约1.1mm且主密封直径为大约0.6mm的情况下，主密封压力是大约 3400巴。主密封直径是指由滚珠和基座之间的接触表面所形成的圆的直径。 当故障发生于阀中时，滚珠保持架将代替滚珠来密封地抵靠基座，由此提 供在滚珠保持架和基座之间的接触表面处的次密封表面。滚珠保持架的抵 靠基座的密封表面将大于滚珠的抵靠基座的密封表面，从而产生较低的密 封压力。滚珠保持架的密封压力将取决于其几何形状。如果次密封直径为 大约1.22mm，次密封压力就将是大约730巴。次密封直径是指由滚珠保 持架和基座之间的接触表面所形成的圆的直径。次密封压力随着滚珠直径 的增大成比例地减小。阀因此将不能在阀中产生故障时抵抗当滚珠处于阀 中并紧靠基座时那样的大压力。不变的燃料压力因此将导致阀不再密封。

阀可位于燃料系统中的各种位置处。阀例如可在高压泵和燃料喷射器 之间以充当安全阀，所述安全阀在响应燃料系统中的过高的燃料压力时开 启以使压力降低，从而使燃料系统中的燃料喷射器和其他设备不被过高的 压力所损害。如果当在阀中产生故障时，泵中的燃料压力降低至低于滚珠 保持架的密封压力，阀就将仍然密封，但是在低于正常操作过程中的正常 燃料压力下密封。

阀也可位于燃料喷射器中。通过与现有技术相同的对不受控的喷射的 探测，可通过将燃料压力降低至低于滚珠保持架的压力来响应不受控的喷 射。于是，阀可在低于正常操作过程中的正常燃料压力的压力下密封，从 而使燃料喷射器在较低的燃料压力下操作。燃料压力将仍然足以向汽缸提 供燃料和使发动机行驶，从而可避免关停发动机。这使得可在有限的动力 输出下行驶车辆，而不损害发动机或排气后处理系统。

本发明的其他优点通过下述详细说明书来阐释。

附图说明

下面参考附图通过示例来描述本发明的一个优选实施例，在附图中：

图1是设有根据本发明的用于燃料系统的阀的车辆1的示意性侧视图， 该阀位于高压泵和燃料喷射器之间和/或燃料喷射器中，

图2是根据本发明的设有滚珠的阀的剖视图，

图3是根据本发明的没有滚珠的阀的剖视图，

图4是包括本发明的阀的燃料喷射器的剖视图，

图5是设有根据本发明的阀的燃料喷射器的上部部分的剖视图，以及

图6是一种用于控制燃烧发动机的燃料系统的方法的流程图。

具体实施方式

在可能的情况下，说明书中使用相同的附图标记用于相同的或相似的 构件。

图1示出了包括多个汽缸18的燃烧发动机16的示意性车辆1。发动机 连接至变速箱20。飞轮7位于发动机和变速箱之间。该车辆还包括设有氧 化催化器5的排气后处理系统3。排气后处理系统另外还可以以已知的方式 包括各种其他构件。用于监测氧化催化器之后的排气温度的未示出的温度 传感器靠近催化器定位。发动机的汽缸18分别还包括用于燃料喷射的燃料 喷射器14。燃料喷射器是还包括根据本发明的阀4、4'的燃料系统2的一部 分。低压泵6设置在燃料管线8中，以便将燃料从燃料容器10通过高压泵 12传送至发动机16。控制单元9预期用于控制低压泵6、高压泵12和燃料 喷射器14的操作。在第一实施例中，阀4位于高压泵和燃料喷射器之间。 汽缸18中的每个都设有燃料喷射器14，所述燃料喷射器14在第二实施例 中包括阀4'。发动机优选是柴油发动机。燃料系统2例如可以是共轨系统。 阀4可采用安全阀的形式，所述安全阀响应于燃料系统中的过高的燃料压 力而开启，并由此降低该压力，从而使燃料系统中的燃料喷射器和其他设 备不被过高的压力所损害。

图2是根据本发明的包括弹簧24和成滚珠22形式的密封元件的阀4、 4'的剖视图。滚珠优选由硬脆性材料、比如陶瓷材料(例如氧化铝或氮化硅) 制成。其他可想到的材料是石材(例如工业制金刚石)，或者硬化钢材或硬 化聚合物。由这样的材料制成的滚珠高度抗磨损。滚珠进一步可以是大致 球形的，例如具有0.5-2mm的直径的球形。阀4、4'还包括设有空腔28 的滚珠保持架26，所述空腔28用于容纳滚珠。空腔可以是各种形状，例如 大致球形圆顶形状或大致圆锥形。空腔的尺寸使得滚珠的主要部分由空腔 所包围。在例如空腔具有球形圆顶形状的情况下，球形的直径将大于滚珠 的直径。滚珠还包括主密封表面30，所述主密封表面30位于滚珠和基座 32之间的接触表面处，且预期用于与基座配合并密封地抵靠基座。主密封 表面30小于次密封表面34，如图3中可见，例如为次密封表面的约10％。 主密封表面总之不与次密封表面同样大或大于次密封表面。阀4、4'还具有 主密封直径。主密封直径是指由滚珠和基座之间的接触表面所形成的圆的 直径。在例如滚珠的直径为大约1.1mm且主密封直径为大约0.6mm的情 况下，主密封压力就是大约3400巴。在两种实施例中，阀4、4'都可处于 共轨系统中。在第一实施例中，阀4位于高压泵12和燃料喷射器14之间。 阀4可采用安全阀的形式，所述安全阀响应于燃料系统中的过高的燃料压 力而开启，并由此降低该压力，从而使燃料系统中的燃料喷射器和其他设 备不被过高的压力所损害。汽缸18中的每个都设有燃料喷射器14，所述燃 料喷射器14在第二实施例中具有阀4'。

图3是不具有图2中所示的滚珠22的阀4、4'的剖视图。阀4、4'可处 于共轨系统中。在第一实施例中，阀4位于高压泵12和燃料喷射器14之 间。滚珠保持架26具有次密封表面34，所述次密封表面34位于滚珠保持 架和基座32之间的接触表面处，且预期用于在没有滚珠的情况(例如在滚 珠故障后)下与基座配合并密封地抵靠基座。滚珠故障可由于错误的处理 或由于比如在阀4、4'要闭合时硬的外来颗粒与滚珠产生接触而产生，从而 可导致滚珠分裂成多个小碎块并被带走。滚珠保持架的次密封表面34可以 是大致圆形的。图2中所示的主密封表面30可小于次密封表面34，例如为 次密封表面34的约10％。阀4、4'还具有次密封直径，所述次密封直径是 指由滚珠保持架和基座之间的接触表面所形成的圆的直径。滚珠保持架的 密封压力(所谓的次密封压力)将取决于滚珠保持架的几何形状。次密封 压力随着滚珠的直径的增大而成比例地减小。在次密封直径为大约1.22mm 的情况下，次密封压力将是大约730巴。因此，阀4、4'在阀中发生故障时 将不能抵抗如滚珠处于阀中并抵靠基座密封时那样的大压力。不变的燃料 压力将因而导致阀不再密封。如果响应于阀中已经产生的故障，高压泵中 的燃料压力被降低至低于滚珠保持架的密封压力，阀就将仍然密封，但是 在低于正常操作过程中的正常燃料压力的压力下密封。燃料压力将仍然足 以向汽缸提供燃料和使发动机行驶，从而可避免关停发动机。这使得可在 有限的动力输出下行驶车辆，而不损害发动机或排气后处理系统，如图1 所示。

图4和5是用于将燃料在高压下喷射到发动机16中的燃烧室40中的 燃料喷射器14的剖视图。图5是图4中的燃料喷射器的上部部分的放大剖 视图。图1中所示的汽缸18中的每个都设有燃料喷射器。发动机优选是柴 油发动机，其中，所喷射的燃料是柴油。燃料喷射器的下部部分嵌入了发 动机的燃烧室40中。在高压下喷射燃料降低了从发动机的排放物排放。当 燃料在高压下喷射时也实现了在发动机的操作过程中的其他优点。燃料在 高压下通过进口管42被供送至燃料喷射器14。喷射器包括针形部44，且 在下部部分处包括喷射阀，所述喷射阀具有成针阀45形式的阀体。针阀包 括具有缩窄式端部的长条形部分，所述缩窄式端部被成形为可关闭喷射器 的出口孔眼46。喷射器还包括呈现控制容积50的圆筒元件48，所述控制 容积50被针形部的上端部和圆筒元件所限定。针形部的上端部可移动至控 制容积50中。控制容积设有进口节流阀52和出口节流阀54。进口节流阀 与出口节流阀相比具有较小的孔眼，这意味着进口节流阀与出口节流阀相 比节流性更强。当燃料从进口节流阀流至出口节流阀时，控制容积中的压 力将降低。为了使燃料能够流动通过控制容积，阀4'必须开启，这通过启 动电磁体64来实现。当电磁体被启动时，固定部66被拉向该电磁体。固 定部举起阀保持器68，从而克服弹簧力。滚珠保持架26位于阀保持器的一 端部处。当阀保持器已经被举起时，滚珠保持架将从基座32升起，从而使 燃料能够通过阀4'并返回至燃料容器。当燃料通过开启的阀4'时，燃料将 流动通过控制容积50。在针形部44的下部部分处的燃料压力将使得针形部 的长条形部分的上部活塞部分移动至控制容积中，使控制容积减小且针形 部的缩窄式部分向上移动，从而使出口孔眼46开启且燃料喷射到燃烧室40 中。燃料喷射器14可以是共轨系统的一部分。滚珠具有主密封表面，所述 主密封表面位于滚珠和基座之间的接触表面处，且预期用于与基座配合并 密封地抵靠基座。阀4'还具有主密封直径，所述主密封直径是指由滚珠和 基座之间的接触表面所形成的圆的直径。滚珠保持架具有次密封表面，所 述次密封表面位于滚珠和基座之间的接触表面处，且如上所述预期用于在 没有滚珠的情况(例如在滚珠故障后)下与基座配合并密封地抵靠基座。

图6示出了一种用于控制根据本发明的燃料系统的方法。该方法开始 于第一步骤a。

在下一步骤b处，从各种传感器接收信号，以便探测阀4、4'中已经产 生的故障。这些信号被与参考值比较，以便检测信号值是否偏离正常值。 进行该步骤的一个方式是在步骤b1处测量排气后处理系统3中的氧化催化 器5之后的排气温度，并确定该排气温度是否呈现非正常值。另一方式是 在步骤b2处对每次汽缸点火时的发动机飞轮的加速度进行测量，并确定该 加速度是否呈现非正常值。作为替代性方案，测量发动机速度的加速度的 另一方式是使用预期用于该目的的传感器或其他类似装置。另一方式可以 是在步骤b3处接收直接来自高压泵12或高压泵12的控制系统9的指示故 障的信号。有利地，在步骤b1、b2、b3处的这些方式中的多于一个或全部 可用于指示阀故障。

下一步骤c检测在前的步骤b处的信号中的任何一个是否已指示阀故 障。

如果没有指示阀故障，就在连续的循环中进行更新的监测。

如果在步骤c处检测到已经发生阀故障，下一步骤d就将由高压泵12 所产生的燃料压力降低至低于由滚珠保持架26靠着基座32的抵靠所提供 的密封压力。

在随后的步骤e处，发动机16在降低的燃料压力下行驶。这意味着， 发动机仍然可在降低的动力输出下行驶，但是却使车辆能够开到工场，以 进行补救行动来纠正故障。

该方法然后在最后的步骤f处结束。在故障被纠正后，该方法可从起 始的步骤a重新开始。

本发明绝不限于所描述的实施例，而是可在权利要求的范围内自由改 变。上述提到的构件和特征可在本发明的范围内在所提到的不同实施例之 间组合。