專利名稱：用于控制流體流動的電磁致動器和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種用于控制流體流動的方法和設備，特別地涉及通 過電萬茲致動器控制流體流動的方法和設備。
背景技術：
電磁致動器常用于控制向內燃機中注入燃料。在一例子中，燃料被輸 送到燃料噴射器的增壓室中，柱塞(響應凸輪機構的轉動而移動)向來自 增壓室的燃料施加壓力。當燃料噴射器中的電磁螺線管通電時， 一連接增 壓室與低壓油箱的控制岡關閉，來自增壓室的燃料被壓向燃料噴射器的尖 端、經(jīng)過燃料噴嘴、隨后進入發(fā)動機的燃燒室。但是，在電磁螺線管不通 電時，控制閥保持打開，來自增壓室的燃料被壓入低壓油箱中而不是經(jīng)燃 料噴嘴壓入燃燒室。
如圖1所示，上述電磁致動器可包括具有外極5a和內極5b的定子5 以及位于內極5b與外極5a之間環(huán)繞內極5b的線圏7。定子5和線圏7可 位于定子殼體8的孔內。該殼體8中形成有一高壓流體孔9，以用于將流 體從增壓室(未示出)輸送到燃料噴射器的噴嘴(未示出)、隨后注入發(fā) 動機的燃燒室。
以往已對用于控制流體流動的電磁致動器作出種種改進。例如，對定 子的外極和內極設計出各種幾何形狀，意圖在于增加極的面積從而增大致 動力。但是，隨著內、外極尺寸的增加或改變，定子和定子殼體的幾何形 狀變得復雜，以例如(i)保持期望的產(chǎn)品封裝尺寸和/或(ii)確保殼體8 內的高壓流體通道9受足夠高強度的殼體材料的支承，以便在殼體8中輸 送高壓流體而不發(fā)生破裂。此外，盡管以往提出了各種幾何構型的內外極、線圏和定子殼體，但這些幾何形狀的制作成本的增加可能導致性價比降低。 可通過提供改進的并能夠在定子-線圏作用力大小、流體通道強度與生
產(chǎn)成本和能力之間更有效地取得平衡的致動器結構來進一步改進現(xiàn)有的用
于控制流體流動的方法和設備。
本發(fā)明的目的是克服通過電磁致動器控制流體流動的現(xiàn)有裝置和方法
中存在的一個或多個缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的 一個方面提供一種用于控制流體流動的電^f茲致動器。該致動 器可包括一具有內極構件和外極構件的定子。該外極構件中具有一用于將 流體輸送通過該外極構件的流體通道。該致動器還可包括在內極構件與外 極構件之間圍繞內極構件設置的線圏。該致動器還可包括一銜鐵，該銜鐵 能夠在由定子和線圏產(chǎn)生的磁場的作用下移動并可被操作以用來影響流體 通過流體通道的輸送。
本發(fā)明的另 一方面提供一種通過致動器控制流體流動的方法。該方法
可包括對位于內極構件與外極構件之間的線圏進行通電或斷電而產(chǎn)生或 改變磁場；響應磁場的產(chǎn)生或改變，移動銜鐵；以及響應銜鐵的移動使流 體輸送通過位于外極構件內的流體通道。
應該理解，上述概述和以下詳述只是例示性和解釋性的，并不是對如 權利要求所限定的本發(fā)明的限制。


包括在本說明書中、構成本說明書一部分的附圖示出本發(fā)明示例性實 施例或特征，這些附圖與該說明一起用來解釋本發(fā)明的原理。附圖中
圖1為一現(xiàn)有技術的電磁致動器組件一部分的示意性橫截面圖2為本發(fā)明一實施例的燃料噴射器的部分主視剖面示意圖3為圖2的定子線圏組件的部分俯視透視圖4為圖2的定子線圏組件的部分仰視透視圖5為圖2的外極構件的俯視圖6a和6b為其上裝有銜鐵的圖2的定子線圏組件的部分俯視和仰視 透視圖7為圖2的內極構件的部分俯視透^f見圖8為圖2的內極構件的部分仰視透視圖；以及
圖9為本發(fā)明的可選實施例的其上裝有銜鐵的定子線圏組件的部分仰 視透視圖。
盡管這些附圖示出本發(fā)明的示例性實施例或特征，但這些附圖的尺寸 比例不必與實物相符，為更好示出和說明本發(fā)明某些特征可夸大某些特征。 這些范例只是示出本發(fā)明示例性實施例或特征，并不應理解成對本發(fā)明的 范圍有所限制。
具體實施例方式
下面詳細說明本發(fā)明的實施例或特征，本發(fā)明的各例子示出在各附圖 中。在這些附圖中所有相同或相應的標號表示相同或相應的部件。
下面參見圖2，用于控制流體流動的電磁致動器如燃料噴射器10可包 括由彼此聯(lián)接的多個部件構成的燃料噴射器體部11。燃料噴射器體部11 中有一柱塞孔12，該柱塞孔中有一由某些合適裝置一例如由液壓或凸輪驅 動的挺桿組件一驅動而作往復運動的柱塞13。柱塞孔12的一部分和柱塞 13可限定一燃料加壓室14，該燃料加壓室經(jīng)高壓通道15和噴嘴室16與噴 嘴出口 17連通。 一針閥構件20通常被彈簧22偏置在堵塞噴嘴出口 17的 位置上。噴射過程中，針閥構件20上升到打開位置而打開噴嘴出口 17。
當柱塞13處于其向下增壓沖程時，當溢流閥組件40在其打開位置上 時，燃料加壓室14中的壓力不能增大。該溢流閥組件40可包括一螺線管 41,該螺線管具有一聯(lián)接在溢流閥構件43上的銜鐵42。 一偏置彈簧45通 常偏壓溢流閥構件43使其遠離高壓閥座44而使得高壓溢流通道46與低壓 溢流通道47連通。換句話說，當溢流閥螺線管41不通電時，燃料加壓室 14經(jīng)高壓通道15的一部分、高壓溢流通道46和低壓溢流通道47與燃料
噴射器體部11內的一低壓區(qū)28連通。因此，當溢流閥組件40打開時，從 燃料加壓室14排出的燃料再循環(huán)以備隨后的使用，并且燃料噴射器中的壓 力不能提高到較高的噴射壓力。當溢流岡螺線管41通電時，銜鐵42和溢 流閥構件43被拉向螺線管40而關閉高壓閥座44 ，從而造成燃料加壓室14、 高壓通道15和噴嘴室16中的燃料壓力迅速升高。因此，為升高燃料壓力 開始噴射，可對溢流閥螺線管41進行通電以關閉溢流閥組件40。
為控制開始噴射的精確時刻，針閥構件20可包括受到針控制室23中 的流體壓力作用的環(huán)形封閉液壓面21，該液壓面可交替地受到低壓或高壓 的作用。針閥構件20可包括一針部25、 一隔離部27、 一止動銷部35以及 一針控制活塞24。根據(jù)針控制閥構件33的位置，針控制室23或是與高壓 通道26或是與低壓通道29連通。針控制閥構件33為針控制閥組件30的 一部分，該針控制閥組件30包括針控制螺線管31，該針控制螺線管具有 聯(lián)接在閥構件33上的銜4失32。偏置彈簧45通常朝打開高壓閥座34的位 置向下偏壓銜鐵32和針控制閥構件33。當針控制螺線管31不通電時，針 控制室23經(jīng)高壓通道15的一部分和高壓通道26、通過高壓閥座34與燃 料加壓室14流體連通。當針控制螺線管31通電時，針控制閥構件33上升 而關閉高壓閥座34。此時，針控制室23經(jīng)低壓通道29與低壓區(qū)28流體 連通。因此，當針控制螺線管31通電時環(huán)形封閉液壓面21處于低流體壓 力下，從而使得針閥構件20如同一普通的彈簧偏置止回閥。但是，該封閉 液壓面21的尺寸優(yōu)選設計成當螺線管31不通電時即使在高燃料壓力下也 能將針閥構件20保持在其關閉位置上。
下面結合圖3-8特別說明燃料噴射器10的螺線管41、 31。螺線管41、 31可包括定子60、線圏64、 65和銜鐵42、 32。定子60可包括外極構件 66和內極構件68a、 68b。如圖所示，頂部和底部螺線管41、 31可由形成 兩螺線管的外極構件66的單一外極塊67、形成頂部和底部內極構件68a、 68b的單一內極塊70 (圖7和8)以及兩線圏64、 65構成，從而在燃料噴 射器IO內有效地使用空間和材料。但是，應該知道，雙螺線管結構并不是 必要的，單個螺線管結構也可包括單個外極構件66、單個內極構件68a(或68b)和單個線圏64 (或65)。
外極構件66中可具有用于容納內極構件68a、 68b和線圏64、 65的開 口 72。從圖5可最清楚地看到，開口 72可具有大致呈橢圓形的橫截面， 而外極構件66的外周74可大致呈圓形。開口 72可包括用于容納電接插件 80的接插件室部76。如圖5所示，接插件室部76偏離橫截面的大致橢圓 的形狀或與該形狀不一致，使得接插件80可靠近內極構件68a、 68b安裝 在外極構件66的開口 72內。電接插件80可與線圏64、 65可操作地電連 接并且可包括從外極構件66延伸出以與控制裝置連接的電線。
外極構件66還可包括一個或多個沿縱向形成在其中的暗銷孔84。在 裝配期間，暗銷件的一部分(未示出)可插入外極構件66中的相應暗銷孔
而確保在燃料噴射器10內外極構件66與該鄰接燃料噴射器部件適當?shù)貙?齊。
外極構件66的制作材料例如(i)具有足夠的強度以用作內極構件68a、 68b、線圏64、 65和電接插件80的殼體；(ii)具有足夠的強度以在其中 形成用于輸送高壓流體的孔100,以及(iii)具有合適的并足以用作一極件 的磁性。例如，外極構件66可用SAE4118鋼制成。當選定外極構件66的 合適的制作材料并在定子部件與線圏之間確立合適的幾何結構時，外極構 件66可用作定子殼體且在其中形成用于輸送高壓流體的流體通道100。在 圖3-8的實施例中，流體通道100沿縱向形成在外極構件的壁中，該壁的 厚度足以供高壓流體在其中流動而不造成壁的破裂。例如，在一實施例中， 外極構件66可構造用于通過流體通道100輸送大于約200MPa壓力的流 體。如圖5所示，流體通道100位于外極構件66的較厚的壁部中，其大致 位置在直徑方向上與接頭室部76相對且沿周向位于兩暗銷孔84之間。
應該理解，外極構件66可由各種工藝制成。例如，外極構件66可用 整件材料機加工而成，也可用金屬注模成形(MIM)工藝制成。
如圖7和8所示，內極構件68a、 68b可設置成至少部分位于外極構件 66的開口72中。內極構件68a、 68b在其至少一個沖黃截面102、 104、 106
上具有至少一個大致呈橢圓形的外周102a、 104a、 106a。在圖3-8的實施 例中，內極塊70沿內極塊70的長度限定裝在外極構件66的開口 72內的 第一橫截面部分103、第二橫截面部分105和第三橫截面部分107。設置在 第一與第三橫截面部分103、 107之間的第二橫截面部分105的橫截面周長 104a明顯比第一和第三橫截面部分103、 107的長，并且可與外極構件66 固定地接合。例如，從圖7可最清楚地看到，第二橫截面部分105可在其 外周上形成有倒角109。內極塊70可在內極塊70的笫二橫截面部分105 處例如沿倒角109或倒角109附近焊接(例如激光焊接)到外極構件66 上。因此，內極塊70可被牢牢保持在外極構件66內。笫二橫截面部分105 的橫截面外周104a與外極構件66的開口 72的內壁大體配合。例如，第二 橫截面部分105可構造成與外極構件66的開口 72壓配合。此外，盡管第 二橫截面部分105的橫截面外周104a大致呈橢圓形，^M黃截面外周104a 可包括用于容納電接插件80的接插件室部105b。如以上對于外極構件的 開口 72的描述，第二橫截面部分105的接插件室部105b可以偏離橫截面 外周的大致橢圓的形狀或與該橢圓形狀不 一致。
在一種結構中，內極構件68與外極構件66可在燒結工藝期間連結在 一起。例如，用于內極構件68的材料與用于外極構件66的材料可在燒結 工藝期間粘結以形成一整體極構件。從而，可節(jié)省將內極構件68與外極構 件66裝配在一起的費用。應該理解，在燒結工藝中內極構件68和外極構 件66使用的材料可不同。例如，內極構件材料的選擇可著重內極構件68 的磁性，而外極構件66可選用強度特性與內極構件材料不同的材料。
第一線圏64可圍繞內極構件68a在其第一橫截面部分103上設置。第 二線圈65可圍繞內極構件68b在其第三橫截面部分107上設置。如圖所示， 每一線圏64、 65可布置在內極構件68a、 68b與外極構件66之間。此外， 每一線圏64、 65可布置成大致呈橢圓形套在位于外極構件66的開口 72 內的內極構件68a、 68b上。
每一銜鐵42、 32可設置成能在由各自的定子60與線圏64、 65的組合 產(chǎn)生的磁場的作用下移動，并如上所述，可被操作以影響流體輸送通過流體通道100。參見銜鐵42，每一銜鐵42、 32可在第一與第二位置之間移動， 第二位置距離外極構件66比第一位置遠。例如，當線圏64通電時，銜鐵 42可克服彈簧45的力而向外極構件66移動到第一位置。當線圏64斷電 時，銜鐵42可在彈簧偏置力的作用下離開外極構件66到第二位置。
每一銜鐵42、 32在其中可包括一個或多個周向開口 110a、 110b，這 些開口 110a、 110b構造用于允許銜鐵42、 32具有大的表面積，同時避免 與流體通道100和/或暗銷孔84的干涉。因此，銜鐵42、32的每一開口 110a、 110b可布置在外極構件66的流體通道100 (或暗銷孔84 )附近且至少部 分地圍繞流體通道(或暗銷孔)。因此，當銜鐵42、 32在其第一位置上接 近或抵靠外極構件66時，銜鐵42、32不妨礙流體流出或流入流體通道100。 每一銜鐵42、 32還可包括形成在其中以在銜鐵42、 32移動時供流體在其 中流動輸送的通孔114，以使閥的動作、閥的阻尼和力響應最佳。
在一可選實施例(圖9)中，銜4失42、 32之一或兩者可具有大致呈橢 圓形的外周。該大致橢圓形外周可大體與外極構件66中的大致橢圓形開口 72對齊。此外，外極構件66中的開口 72可擴大而進一步向外極塊67的 外周延伸，使得圖9中所示的基準點67a處外極塊67的壁比圖5中所示的 外極塊67的對應部67a薄。因此，圖9的實施例的開口 72形成的橢圓形 更明顯。由于圖9中所示的外極構件66的壁部67a較薄，因此，暗銷孔 84可重新定位并設置在外極構件66的具有較厚壁的部位上。例如，圖9 的暗銷孔已^皮重新定位而且互相偏移約160°。
應該理解，本發(fā)明實施例可包括外形不同的銜鐵42、 32。例如，第一 銜鐵42可大體構造成如結合圖6A所示、所述，而第二銜鐵32可構造成 如結合圖9所示、所述。因此，盡管流體通道100可構造成穿過整個外極 塊67的通孔，但靠近銜鐵32的一個或多個暗銷孔84可與靠近第一銜鐵 42的暗銷孔偏離。因此，靠近銜鐵32的暗銷孔84可不與靠近第一辨f4失42 的暗銷孔84對齊并且可不穿過整個外極塊67。
下面參見圖2、 7和8，本發(fā)明一實施例可包括一致動器殼體(例如噴 射器體部11)，該殼體具有容納內外極構件68、 66的大致呈柱形的極殼體部120 。該極殼體部120可具有 一 穿過其中的大致位于中心的縱向軸線2。 特別是，內極構件68可在其中具有一大致與中心縱向軸線2同軸的孔122。 因此，保持在孔122內或相對孔122布置的其它致動器構件(例如針控制 閥構件33、彈簧45、銜鐵32、 42)可在極殼體部120和噴射器體部11內 居中地對齊和/或對稱地構造。例如，針控制閥組件30和溢流閥組件40可 包括對稱地形成的部件和/或可對中地布置在噴射器體部11內。由于孔122 和其它致動器構件可在極殼體部120和噴射器體部11內對稱地形成和/或 居中地對齊，因此這些特征和部件可用"對中"的精密加工和/或裝配操作 來成形和/或裝配，這樣，總的來說，比非對稱和/或偏心的精密加工和/或 裝配操作費用少。
工業(yè)適用性
從以上說明可看出，任一銜鐵42、 32的移動可控制向發(fā)動機注入燃 料。更確切地說，通過在內極構件68a、 68b與外極構件66之間設置的線 圏64、 65的通電或斷電，可在燃料噴射器10內產(chǎn)生或改變(例如增強、 減弱或消除)磁場。各自的銜鐵42、 32可響應磁場的產(chǎn)生或改變而移動， 從而高壓流體可響應銜鐵42、 32的移動而輸送通過位于外極構件66內的 流體通道IOO。因此，響應各自的銜鐵42、 32的移動，輸送通過位于外極 構件66中的流體通道IOO的高壓燃料最終被壓出燃料噴射器10。
本發(fā)明提供一種用于在允許有效利用致動器內的空間和材料的同時通 過致動器控制流體流動的設備。本文所描述的電動液壓致動器經(jīng)預測可在 權衡生產(chǎn)成本和生產(chǎn)能力的情況下通過使極和游f鐵表面積最大化來增加致 動器力的大小，同時不斷地減小所需要的包裝尺寸。
從上迷可知，盡管本文說明本發(fā)明特定實施例以起到示例性的作用， 但可在不偏離本發(fā)明精神或范圍的情況下作出種種修正。根據(jù)該說明書和 附圖以及本發(fā)明的實施，本發(fā)明的其它實施例對本領域普通技術人員來說 是顯而易見的。該說明書和所述例子僅僅是示例性的，本發(fā)明的真正范圍 和精神由后附權利要求及其等同項示出。因此，本發(fā)明僅由后附權利要求限定。
權利要求
1.一種用于控制流體流動的電磁致動器，該致動器包括具有內極構件(68a、68b)和外極構件(66)的定子(60)，所述外極構件內具有用于將流體輸送通過該外極構件的流體通道(100)；位于所述內極構件與外極構件之間、圍繞所述內極構件設置的線圈(64、65)；以及能夠在由所述定子和線圈產(chǎn)生的磁場的作用下移動并可被操作以影響流體輸送通過流體通道的銜鐵(32、42)。
2. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于，所述外極構件中具 有用于容納所述內極構件和所述線圏的開口 (72)，所述開口的橫截面大 致呈橢圓形。
3. 根據(jù)權利要求2所述的致動器，其特征在于，在所述外極構件的 橫截面處，所述外極構件具有大致呈圓形的外周。
4. 根據(jù)權利要求2所述的致動器，其特征在于，所述外極構件的開 口的一部分在橫截面處與所述橫截面的大致橢圓形不一致，該部分設計用 于在其中容納電接插件。
5. 根據(jù)權利要求2所述的致動器，其特征在于，所述銜鐵具有大致 呈橢圓形的外周。
6. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于， 所述銜鐵可在第一與第二位置之間移動，第二位置距離所述外極構件比第一位置遠；所述銜鐵中形成有第一開口 (110),該第一開口設置成靠近所述外極 構件的流體通道且至少部分地圍繞該流體通道，并設計用于在所述銜鐵位 于第 一位置上時允許流體流入和流出該流體通道。
7. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于， 所述外極構件中具有至少一個沿縱向形成的暗銷孔(84); 一暗銷的 一部分布置在該暗銷孔中； 所述銜鐵中形成有一開口 ，該開口設置成靠近該暗銷且至少部分地圍 繞該暗銷。
8. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于，所述銜鐵中形成有 多個穿孔(114)，以用于在該銜:鐵移動時允許流體輸送通過該多個穿孑匕
9. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于，所述內極構件包括位于所述外極構件的開口中沿所述內極構件的長度 設置的第一、第二和第三橫截面部分(103、 105、 107);所述第二橫截面部分的橫截面周長比所述第一和第三橫截面部分的 長，所述第二橫截面部分位于所述第一與第三橫截面部分之間且與所述外 極構件固定地接合。
10. 根據(jù)權利要求9所述的致動器，其特征在于， 所述內極構件的第二橫截面部分的外周上形成有一倒角(109); 所述內極構件在該倒角處焊接在所述外極構件上。
11. 根據(jù)權利要求9所述的致動器，其特征在于， 所述線圏在所述內極構件的第一橫截面部分處圍繞所述內極構件設置；在所述內極構件的第三^f黃截面部分處圍繞所述內極構件設置有第二線
12. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于，所述流體通道設計 用于輸送壓力至少為約200MPa的高壓流體。
13. 根據(jù)權利要求l所述的致動器，其特征在于，包括 具有一極殼體部(120)的致動器殼體，該極殼體部具有一穿過其中的中心縱向軸線(2),所述內極構件設置在該極殼體部內并具有一穿過其中 的內極孔(122),該內極孔與該中心縱向軸線大致同軸。
14. 一種用于通過致動器控制流體流動的方法，包括 對設置在內極構件(68a、 68b)與外極構件(66)之間的線圏(64、65)進行通電或斷電以產(chǎn)生或改變一磁場；響應所述磁場的產(chǎn)生或改變，移動銜鐵(32、 42);以及 響應所述銜鐵的移動使流體輸送通過位于外極構件中的流體通道(100)。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，對線圏進行通電或 斷電的步驟包括對設置在外極構件中 一 大致橢圓形開口內的線圏進行通電 或斷電。
16. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，包括在所述銜鐵 移動時使流體在形成于銜鐵中的通孔(114)中流動。
17. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其特征在于，包括 對設置在第二內極構件與所述外極構件之間的第二線圏(65、 64)進行通電或斷電以產(chǎn)生或改變一萬茲場；響應所述第二磁場的產(chǎn)生或改變，移動第二銜鐵(42、 32);以及 響應所述第二銜鐵的移動，影響流體輸送通過位于所述外極構件中的流體通道。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制流體流動的設備和方法。一電磁致動器可包括具有內極構件(68a、68b)和外極構件(66)的定子(60)。該外極構件中可具有一用于將流體輸送通過該外極構件的流體通道(100)。該致動器還可包括布置在內極構件與外極構件之間、圍繞內極構件設置的線圈(64、65)。該致動器還可包括一銜鐵(32、42)，該銜鐵能夠在由定子和線圈產(chǎn)生的磁場的作用下移動并且可被操作以影響流體輸送通過流體通道。
文檔編號F16K31/06GK101198817SQ200680021659
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權日2005年6月17日
發(fā)明者D·R·科爾德倫, H·K·克里希納斯萬米, N·N·巴尼, S·R·劉易斯 申請人:卡特彼勒公司