共轨燃料系统的压力恢复系统、燃料喷射器及其操作方法

摘要

本发明涉及共轨燃料系统的压力恢复系统、燃料喷射器及其操作方法。每个燃料喷射器包括具有喷射压力控制阀的喷射压力控制机构。在第一位置，每个喷射压力控制阀阻断相应的增压器与共轨，并使得增压器与低压空间流体连接，而在第二位置，使得增压器与共轨流体连接，并阻断增压器与低压空间。每个燃料喷射器还包括具有压力恢复阀的压力恢复机构。在第一位置，每个压力恢复阀阻断相应的增压器与共轨并使得低压空间与排放装置流体连接，而在第二位置，使得低压空间与共轨流体连接并阻断低压空间与排放装置。经由操作燃料系统喷射燃料可包括以低泄漏模式操作燃料系统，其中增压器在高压喷射之间移动低压燃料。

说明书

技术领域

本发明整体涉及用于内燃机的燃料系统和燃料系统操作方法，并且更特别是涉及以低泄漏模式操作具有凸轮致动增压器的共轨燃料系统时所使用的压力恢复方法。

背景技术

多年来已经开发了多种类型的用于内燃机的燃料喷射系统。共轨燃料喷射系统是公知的，并广泛地与多缸内燃机结合使用。典型的共轨燃料系统包括低压燃料源、高压泵和连接高压泵与多个燃料喷射器的共轨。通过电子地控制每个与共轨联接的燃料喷射器，可以在轨道压力下相对准确地进行燃料喷射。共轨系统已经取得了广泛的成功，部分因为它们提供了相对简单和直接的措施来将燃料提供给多个燃料喷射器，并且能够以相对准确的时间和喷射量进行燃料喷射。共轨系统还被证明是应对相对高的燃料压力的相对有效和可靠的方式。虽然已知的共轨系统长时间用作高压燃料喷射实践的工业标准，还是存在改善的空间。

另一方面，容纳一定容积的高度加压的燃料会相对困难，需要例如密封件和管道的专业化硬件。受到极高压力的部件还会具有比低压环境中使用的部件更快损耗的趋势。还需要相当大的发动机输出能量来将相对大量的燃料保持在高压。只依赖共轨作为用于燃料的压力源会最终影响发动机的效率。

已经提出了多种系统，其中共轨用来将第一压力的燃料供应到发动机系统的多个燃料喷射器。液压致动或凸轮致动增压器也可用于这种系统，使得燃料在较高压力下在选择时刻喷射。授予Knight的美国专利申请公开文献No.2006/0243253提出将凸轮致动活塞结合到共轨系统中，使得来自共轨的轨道压力的燃料或者来自于增压器的较高压力的燃料得以喷射。在Knight的系统中，在凸轮致动增压器没有直接用来升高燃料压力以喷射时，凸轮致动增压器也可用来帮助保持共轨压力。因此，Knight中的活塞将明显在高压下连续泵送。使得燃料系统的部件连续受到来自Knight中的活塞的高压会造成一些部件之间和之中过多泄漏。Knight中的高压燃料的泄漏趋于浪费能量，因为用于加压泄漏燃料的发动机输出能量不容易回收。

发明内容

在一个方面，操作内燃机的燃料系统的方法包括至少部分通过使得燃料喷射器的喷嘴出口与共轨流体连接而在中压下将燃料喷射到发动机缸内的步骤。还包括通过使得柱塞空腔与共轨流体连接而将燃料喷射器的柱塞空腔内的燃料压力从低压增加到中压的步骤。该方法还包括通过运动增压器的挺杆将柱塞空腔内的燃料压力从中压增加到高压的步骤。还包括至少部分通过使得喷嘴出口与柱塞空腔流体连接而将高压的燃料喷射到发动机缸内的步骤。该方法还包括至少部分经由将柱塞空腔内的燃料压力从高压返回到中压的步骤而在喷射高压燃料之后以压力恢复模式操作燃料系统的步骤。

在另一方面，燃料喷射器包括喷射器主体，该喷射器主体限定喷嘴供应通道、与喷嘴供应通道连接的喷嘴出口、控制通道、低压空间、与喷嘴供应通道连接的至少一个燃料入口、柱塞空腔、使得柱塞空腔与喷射器主体内的喷嘴供应通道连接的增压通道、压力恢复导管和至少一个排放装置。燃料喷射器还包括定位在喷射器主体内并能够在打开位置和阻断喷嘴出口与喷嘴供应通道的闭合位置之间运动的直接控制针止回阀，直接控制针止回阀具有暴露于喷嘴供应通道内的流体压力的打开液压表面和暴露于控制通道内的流体压力的闭合液压表面。燃料喷射器内还包括能够在阻断控制通道与低压空间的第一喷射控制位置和控制通道通向低压空间的第二喷射控制位置之间运动的止回控制阀。燃料喷射器还包括部分定位在喷射器主体内的增压器，增压器包括挺杆和能够在第一柱塞位置和柱塞空腔内的推进柱塞位置之间运动的柱塞。燃料喷射器还包括在增压通道和喷嘴供应通道之间流体定位并使得流体从柱塞空腔流到喷嘴供应通道的单向阀。燃料喷射器还包括具有第一压力控制构型和第二压力控制构型的喷射压力控制机构，在第一压力控制构型，喷射压力控制机构阻断柱塞空腔与至少一个燃料入口，并使得柱塞空腔与低压空间流体连接，而在第二压力控制构型，喷射压力控制机构使得柱塞空腔与至少一个燃料入口流体连接，并阻断柱塞空腔与低压空间。燃料喷射器还包括具有第一压力恢复构型和第二压力恢复构型的压力恢复机构，在第一压力恢复构型，压力恢复机构阻断低压空间与压力恢复导管，并使得低压空间与排放导管流体连接，而在第二压力恢复构型，压力恢复机构使得低压空间与压力恢复导管流体连接，并阻断低压空间与排放导管。

在又一方面，用于内燃机的燃料系统包括多个燃料喷射器，每个燃料喷射器包括喷射器主体，该喷射器主体限定喷嘴供应通道、与喷嘴供应通道连接的喷嘴出口、低压空间和排放装置。燃料系统还包括多个机械致动增压器，增压器各自包括挺杆，并部分定位在喷射器主体之一内。燃料系统还包括与每个燃料喷射器流体连接的共轨。每个燃料喷射器还包括喷射压力控制机构，喷射压力控制机构包括能够在第一压力控制位置和第二压力控制位置之间运动的喷射压力控制阀，并且其中在第一压力控制位置，每个喷射压力控制阀阻断相应增压器与共轨，并且使得增压器与低压空间流体连接，而在第二压力控制位置，每个喷射压力控制阀使得增压器与共轨流体连接，并阻断增压器与低压空间。每个燃料喷射器还包括压力恢复机构，压力恢复机构包括能够在第一压力恢复位置和第二压力恢复位置之间运动的压力恢复阀，其中在第一压力恢复位置，每个压力恢复阀阻断相应增压器与共轨，并使得增压器与排放装置流体连接，而在第二压力恢复位置，每个压力恢复阀使得增压器与共轨流体连接，并阻断增压器与排放装置。

附图说明

图1是根据一种实施方式的具有机械强化燃料喷射器的内燃机的示意图；以及

图2是根据一种实施方式的机械强化燃料喷射器的侧视示意图。

具体实施方式

参考图1，表述了根据一种实施方式的内燃机10。内燃机10可包括直喷压燃柴油发动机，但是在其它实施方式中，也可包括火花点火发动机或具有不同喷射策略的发动机。内燃机10可包括发动机壳体14，发动机壳体14包括布置其中的多个缸20。多个活塞16分别以传统方式与每个缸20相关联，并且与曲轴18联接。多个燃料喷射器30与每个缸20相关联，并分别部分地延伸到相应一个缸20内。在一种实施方式中，如图2所示，每个燃料喷射器30可包括限定定位在相应缸20内的至少一个喷嘴出口50的喷射器主体46。内燃机10还可包括具有中压共轨44的燃料系统12，共轨44经由中压燃料供应导管42与每个燃料喷射器30流体连接。燃料系统12还可包括燃料源34、低压燃料泵36和高压燃料泵38。高压泵38加压燃料，并经由燃料供应导管37将其输送到中压共轨44。燃料供应导管37还可包括布置在高压泵38和中压共轨44之间的止回阀39。低压燃料供应导管40可使得低压燃料泵36连接到每一个燃料喷射器30。低压燃料供应导管40可包含布置在低压燃料泵36和燃料喷射器30之间的至少一个止回阀43。低压燃料返回导管41可将低压燃料从每个燃料喷射器30返回到燃料源34。

内燃机10还可包括经由操作内燃机10转动并具有多个凸轮21的凸轮轴22，凸轮21分别具有定位其上的至少一个凸轮凸角24。每个凸轮凸角24可转动接触每一个燃料喷射器30的挺杆32，其意义将在这里进一步描述。每个燃料喷射器30还可包括定位其中的喷射压力控制机构80，喷射压力控制机构80可以选择对应于来自于中压共轨44的燃料压力的燃料喷射压力，或选择对应于来自经由相应挺杆32致动的增压器的加强压力的燃料喷射压力，并在这里进一步描述。每个燃料喷射器30还可包括出口止回阀(图1未示出)和包括用于操作相应出口止回阀的针控制阀69的止回阀控制机构68。每个燃料喷射器30还可包括定位其中的压力恢复控制机构130，压力恢复控制机构130使得燃料喷射器30以压力恢复模式操作。

现在参考图2，表述了包括更加详细描述的燃料喷射器30之一的燃料系统12的一部分。如上所述，每个燃料喷射器30可包括喷射器主体46。喷射器主体46可限定喷嘴供应通道48和与喷嘴供应通道48连接的喷嘴出口50。喷射器主体46还可限定控制通道52、低压入口53和低压空间54。如这里进一步详细描述，低压空间54与低压燃料供应导管40连接或是低压燃料供应导管40的一部分。低压燃料供应导管40还可包括允许流体从低压泵36单向连通的至少一个止回阀43。

喷射器主体46还可限定与中压共轨44连接并且还经由中压供应通道59和98选择性地与喷嘴供应通道48连接的至少一个中压入口56。喷射器主体46还可限定柱塞空腔58和使得柱塞空腔58与喷射器主体46内的喷嘴供应通道48连接的增压通道60。燃料喷射器30还可包括喷嘴组件61，喷嘴组件61包括定位其中并能够在打开位置和阻断喷嘴出口50与喷嘴供应通道48的闭合位置之间运动的直接控制针止回阀62。直接控制针止回阀62还可包括暴露于喷嘴供应通道48的流体压力的打开液压表面64和暴露于控制通道52的流体压力的闭合液压表面66。

燃料喷射器30还可包括止回控制机构68，止回控制机构68包括能够在阻断控制通道52与排放导管53的第一喷射控制位置和控制通道52通向排放导管53的第二喷射控制位置之间运动的针控制阀69。低压出口或排放装置55表示成连接在针控制阀69和低压燃料返回导管41/排放导管53之间。

燃料喷射器30还可包括部分定位在喷射器主体46内的机械致动增压器70。机械致动增压器70包括挺杆32，并还包括柱塞72。柱塞72被构造成响应于与凸轮21转动联接的凸轮凸角24的转动而在第一柱塞位置和柱塞空腔58内的推进柱塞位置之间运动。燃料喷射器30还可包括在增压通道60和喷嘴供应通道48之间流体定位并使得流体从柱塞空腔58流到喷嘴供应通道48的第一单向阀74。单向阀102可以在中压入口56和双向通道100之间流体定位，并使得流体从中压入口56流到双向通道100。双向通道100可以这里进一步描述的方式和原因使得增压通道60以及柱塞空腔58与中压入口56或低压空间54流体连接。

燃料喷射器30还可包括喷射压力控制机构80，喷射压力控制机构80具有第一压力控制构型和第二压力控制构型。在第一压力控制构型，喷射压力控制机构80阻断柱塞空腔58与中压入口56，并通过双向通道100使得柱塞空腔58与低压空间54流体连接。在第二压力控制构型，喷射压力控制机构80通过双向通道100使得柱塞空腔58与中压入口56流体连接，并阻断柱塞空腔58与低压空间54。在一种实施方式中，喷射压力控制机构80还包括能够在燃料喷射器30内运动的提升阀82。喷射器主体46可限定第一座84和第二座86。第一压力控制构型可包括提升阀82接触第一座84的第一提升阀位置，并且第二压力控制构型可包括提升阀82接触第二座86的第二提升阀位置。喷射压力控制机构80还可包括第一电致动器88，第一电致动器88与提升阀82联接，并被构造成使得提升阀82在第一提升阀位置和第二提升阀位置之间运动，交替地接触第一座84或第二座86。

在所示的实施方式中，单个提升阀82表示成喷射压力控制机构80的一部分。提升阀82可以通过偏动弹簧81朝着其第一位置偏置。提升阀82可以与第一电致动器88联接，以有助于提升阀82从其第一位置运动到其第二位置。中压供应通道98表示成使得中压入口56与喷嘴供应通道48连接，但是可以使用替代的策略，例如经由喷射器主体46的另一部分使得喷嘴供应通道48与中压入口56连接。应该理解到可以设想到其它的实施方式，例如多个阀代替单个提升阀使用。在另外其它的实施方式中，可以使用例如滑阀的一个或多个滑动式阀。因此应该理解到能够在第一座和第二座之间运动的单个提升阀只是一个示例性实施方式，并且本发明不由此受到限制。

如上所述，燃料喷射器30中还可包括针控制阀69。针控制阀69可以通过偏动弹簧71朝着其第一位置偏置。第二电致动器90可以与针控制阀69联接，并且被构造成使得针控制阀69在第一喷射控制位置和第二喷射控制位置之间运动。喷射器主体46还可以限定第三座92和第四座94。如图2所示，针控制阀69可以是能够在燃料喷射器30内运动并在第一喷射控制位置接触第三座92和在第二喷射控制位置接触第四座94的提升阀。

燃料喷射器30还可包括压力恢复控制机构130。压力恢复控制机构可包括能够在第一阀位置和第二阀位置之间运动的压力恢复阀132。在第一位置，压力恢复阀132通过偏动弹簧134向上偏置到第五座133。在此第一位置，压力恢复阀使得低压空间54和燃料返回导管之间经由排放导管136和排放装置57流体连通。本领域普通技术人员将理解到替代的实施方式可以将排放装置55和排放装置57组合成单个排放装置。压力恢复阀132包括暴露于经由压力恢复致动导管142来自于柱塞空腔58的加压流体的液压表面140。在液压打开表面接收足够打开压力以造成压力恢复阀132克服偏动弹簧134的向上力时，压力恢复阀运动到其接触第六座135的第二位置。在第二位置，压力恢复阀132使得低压空间54和中压共轨44之间经由形成在喷射器主体46内的压力恢复导管138流体连通。

工业实用性

结合图2描述的示例性燃料喷射器30的以上描述应该理解为同样适用于内燃机10中所使用的每个燃料喷射器30。同样，燃料喷射器30的示例性操作的以下描述应该理解为同样适用于每个燃料喷射器30以及燃料系统12的总体操作。继续参考图2，燃料喷射器30表示成刚好在发动机循环过程中开始燃料喷射之前的状况。凸轮凸角24转动，接触挺杆32并造成柱塞72在缩回位置和推进位置之间运动。在所示的特殊构型中，柱塞72表示成大致位于缩回位置，刚刚经由低压燃料供应导管40将低压燃料抽吸到柱塞空腔58内。燃料也从中压共轨44通过中压供应通道98在中压下供应到中压入口56以及喷嘴供应通道48。

提升阀82表示成位于提升阀82接触第一座84的第一压力控制位置。如这里描述，由于提升阀82位于第一压力控制位置，柱塞空腔58通过增压通道60以及双向通道100与低压空间54连接。喷嘴供应通道48内的中压燃料朝着阻断喷嘴供应通道48与增压通道60的闭合位置压迫单向阀74。单向阀102使得中压燃料从中压入口56流到喷嘴供应通道48，至少直到喷嘴供应通道48内的燃料压力变得等于中压。

在图2中，提升阀69表示成位于接触第三座92的第一喷射控制位置。因此，阻断控制通道52与排放装置55，并且中压的燃料可以在闭合液压表面66上施加闭合液压力。在一种实施方式中，针止回阀62可以通过作用在闭合液压表面66和打开液压表面64上的力来液压平衡。偏动弹簧67可将针止回阀62保持在阻断喷嘴出口50与喷嘴供应通道48的闭合位置。在其它实施方式中，例如通过使用不同尺寸的闭合液压表面和打开液压表面，针止回阀62会至少部分通过闭合液压表面66上的比作用在打开液压表面64上的力相对大的液压力保持闭合。

在希望将燃料在中压下喷射到相关联的发动机缸20中时，第二电致动器90可被供能，从而使得提升阀69离开第三座92并朝着第四座94运动。在提升阀69接触第四座94时，将阻断控制通道52与喷嘴供应通道48，使得控制通道52通向排放装置55。因此，喷嘴供应通道48内的燃料压力可作用在打开液压表面64上，使得针止回阀62朝着打开位置运动，由此使得燃料经由喷嘴出口50喷射。为了结束燃料喷射，第二电致动器90可以被去能，使得提升阀69朝着其接触第三座92的第一喷射控制位置运动返回。所述燃料喷射过程可以在提升阀82保持在其接触第一座84的第一压力控制位置的情况下进行。应该理解到燃料在中压下喷射可以与凸轮角无关地进行，并且因此与增压器70的位置或状态无关。因此，中压喷射可以在柱塞72推进、缩回或静止的同时进行。单向阀74可在喷射中压燃料的过程中以及喷嘴供应通道48内的燃料压力大于增压通道60和柱塞空腔58内的燃料压力的任何其它时刻阻断柱塞空腔58与喷嘴供应通道48。

在希望喷射高压燃料时，第一电致动器88可以被供能，以便将提升阀82运动到其第二压力控制位置，通过双向通道100使得柱塞空腔58与中压共轨44流体连接，并且阻断柱塞空腔58与低压空间54。将提升阀82运动到第二压力控制位置可以(但不必须)刚好在柱塞72缩回之前或在柱塞72缩回的同时进行。在提升阀82运动到其第二压力控制位置时，中压燃料可以通过单向阀102、双向通道100和增压通道60流到柱塞空腔58。将会想到柱塞72响应于凸轮凸角24的转动而移动低压燃料来往于低压空间54，只要提升阀82位于其第一压力控制位置。但是使得柱塞空腔58与中压共轨44流体连接使得柱塞空腔58内的燃料压力从低压增加到中压。从低压增加燃料压力可以在柱塞72静止或缩回的同时进行。根据凸轮凸角24的轮廓，凸轮凸角24的转动可以造成柱塞72在缩回方向上运动，或者在柱塞空腔58内的压力从低压增加到中压的过程中不造成柱塞72运动。在将柱塞空腔58内的燃料压力从低压增加到中压的过程中，单向阀74可阻断柱塞空腔58与喷嘴供应通道48。

响应于凸轮凸角24的进一步转动，挺杆32和柱塞72可在推进方向上运动，并且柱塞空腔58内的燃料压力可以从中压增加到高压。换言之，凸轮凸角24将趋于在图2的视图中向下驱动柱塞72，将柱塞空腔58内的燃料压力增加到轨道压力以上，因为阻断了柱塞空腔58与低压空间54，并且在来自于双向通道100的压力升高到轨道压力以上时，单向阀102将趋于朝着闭合位置运动。在希望将高压燃料喷射到相关联的发动机缸20内时，第二电致动器90可被供能，使得提升阀69从接触第三座92的第一喷射控制位置运动到接触第四座94的第二喷射控制位置，其方式类似于喷射中压燃料。由于增压通道60内的燃料压力将趋于升高到喷嘴供应通道48内的轨道压力以上，喷嘴出口50将通过将单向阀74运动到打开位置而变得与柱塞空腔58流体连接。对第二电致动器90去能将使得高压燃料喷射结束。可以注意到在提升阀69接触第三座92时控制通道52和喷嘴供应通道48之间存在流体连接。在实际应用策略中，提升阀69可以是液压平衡的。在其它实施方式中，影响提升阀69在其第一位置和第二位置之间运动的配管策略和/或孔口的相对尺寸、或者提升阀69上的液压表面的尺寸可以变化，使得提升阀69朝着其第一位置或第二位置液压偏置，或者对提升阀69的运动提供缓冲作用。这种变型可以根据公知的技术来实施。

在喷射高压燃料之后，燃料系统12可以压力恢复模式操作。以压力恢复模式操作燃料系统12可以理解为将高压燃料返回到中压共轨44，与使其排放回到燃料源34不同。如上所述，喷射高压燃料可以在第一电致动器88和第二电致动器90被去能并且提升阀69和82返回到其阀座92和84上的相应第一位置时结束。在出现这种情况时，高压燃料可仍保持在增压通道60内。采用阻力最小的路径，高压燃料会进入压力恢复致动导管142，并且在压力恢复阀132的液压表面140上施加力。施加在液压表面140上的压力造成压力恢复阀132克服偏动弹簧134的力。压力恢复阀132因此运动到其接合第六座135的第二位置。在压力恢复阀132位于其第二位置时，低压空间54和压力恢复导管138之间建立流体连通。因此，只要提升阀82位于其第一位置，增压通道60内的高压流体会流过提升阀82、经过低压空间54并到压力恢复导管138。最终，此高压燃料可以返回到中压共轨44的中压。随着增压通道60内的压力消散，压力恢复致动导管142内不再具有足够的压力来将压力恢复阀132保持在其第二位置。在偏动弹簧134的力克服作用在压力恢复阀132的液压表面140上的向下流体压力时，压力恢复阀132运动回到其接合第五座133的第一位置。在压力恢复阀132位于其第一位置时，低压空间54和排放导管136之间建立流体连通。增压通道60内的燃料(其压力现在消散到低于轨道压力的程度)现在可以经由排放导管136和排放装置57从燃料喷射器30排放。这种排放的燃料接着经由低压燃料返回导管41返回到燃料源34。

在喷射高压燃料和以压力恢复模式操作燃料系统12之后，燃料系统12可以低泄漏模式操作。以低泄漏模式操作燃料系统12可以理解为将燃料系统12返回到增压器70移动燃料来往于低压空间54并因此将柱塞空腔58内的压力返回到低压的状态。为了开始以低泄漏模式操作，提升阀82可以返回到接触座84的第一压力控制位置。低泄漏模式的操作基本上可以是连续的，除了希望高压喷射的情况，从而对增压器在高压下连续泵送或者单级泵试图实现和连续保持高压的设计进行了改善。

本发明的描述只出于示例性的目的，而不应该认为是以任何方式缩小了本发明的范围。因此，本领域普通技术人员将理解到可以针对现在公开的实施方式进行多种改型而不偏离本发明的完整和合理的范围和精神。其它方面、特征和优点将从阅读附图和权利要求而得以明白。