CN101251067A - 挺杆式高压共轨电控喷油器 - Google Patents

Abstract

本发明挺杆式高压共轨喷油器，由喷油器体，高速电磁铁，挺杆，针阀组件，两位两通开关阀、中间垫块组件构成。喷油器体的中心细长通孔为阶梯状圆孔，挺杆装于喷油器体的小直径圆孔中，高速电磁铁包括静铁芯、动铁芯、复位弹簧，本发明结构简单，高压燃油的泄漏大大减少，易于在喷油器中建立起高压。实现高压或超高压燃油喷射，以满足日益严格的柴油机排放法规的要求。

Description

挺杆式髙压共轨电控喷油器技术领域本发明为挺杆式高压共轨电控喷油器，应用于柴油机高压共轨电 控喷油系统中。背景技术德国Bosch公司的CR系列高压共轨电控喷油系统是当前最先进的柴油机电控喷油系统，其中包括：电控喷油器，高压共轨，高压油泵，调压阀，限压阀，限流器，各种传感器以及电控单元等。而高压共轨电控喷油器是其最核心、最关键的部件包括高速电磁阀部件： 动铁芯，激磁线圈，复位弹簧，静铁芯，回油管，大螺母，复位弹簧， 动铁芯导向杆，大调整垫圈，导向杆座，小调整垫圈，钢球。液压挺 杆及阀套部件包括：出油阻尼孔，进油阻尼孔，液压挺杆，阀套，密 封圈。喷油嘴部件包括：喷油嘴弹簧，连接柱，针阀以及喷油器体等。高速电磁阀的功能是实现喷油嘴针阀的开启与关闭，当电磁阀未 激励时，由于电磁阀静铁芯内复位弹簧的作用，钢球使阀套上的出油 节流孔关闭，此时，喷油器体中阀套中控制腔和针阀中的蓄压腔的压 力都等于共轨压力，由于液压挺杆上部阀套中的控制腔作用面积大于 挺杆下部针阀中蓄压腔的作用面积，作用于挺杆上部的控制腔的压力 与喷油嘴弹簧力一起使喷油嘴关闭，喷油器处于不喷油状态。当电控单元给电磁阀激励时，由于电磁铁的吸力作用，动铁芯向 上运动，钢球在阀套中控制腔液压作用下离开球座，被钢球密封的出 油节流孔开启泄油，控制腔油液压力下降到一定数值，此数值决定于 出油节流孔和进油节流孔的流量比。此时来自共轨的高压油作用于喷 油嘴针阀底部，使喷油嘴针阀升起打开，开始喷油。喷油量决定于喷 油嘴的开启持续期(决定于电控单元输出的脉宽)、喷油嘴流量特性、 喷油压力及针阀升程。当电磁阀断电，电磁阀的动铁芯在复位弹簧的 作用下，向下运动推动钢球落座封闭出油节流孔，控制腔内的油压上4升，推动液压挺杆使针阀落座喷油嘴停止喷油。高压共轨电控喷油器要实现高压喷射，各环节的密封至关重要。 其中包括许多高压静密封和动密封。其中，阀套与喷油器体利用阔套 外圆与喷油器体内阶梯孔实现静配合，并以此实现阀套在喷油器体中 的径向定位，阀套的肩胛面和喷油器体的中空平面贴合实现阀套在喷 油器体中的轴向定位。但阀套与喷油体之间还有一个环形槽，此槽内 充满超高压燃油。高压燃油在工作时，要经过阀套径向的一个阻尼孔， 即进油节流孔进入阀套内，然后作用在液压挺杆上，控制针阀实现喷 油。此环形槽内的燃油还会利用阀套肩钾平面与喷油器体中空平面之 间的径向间隙泄漏，而且还会利用阀套的最小外圆与喷油器体内孔之 间的轴向间隙泄漏。这两处的泄漏如果不能得到有效的控制，则高压 共轨喷油器中的超高压喷射是不可能实现的。其中阀套外圆肩钾面与 喷油器体中空平面之间的径向缝隙，可以通过柴油机传统喷油系统的 成熟技术减少缝隙，以实现可靠的静密封。而阀套外圆与喷油器体内 孔之间的轴向间隙形成的泄漏，Bosch公司是在阀套与喷油器体内孔 之间的环形槽内装了一个矩形截面的复合材料的固体密封圈，以实现 可靠的密封。但液压挺杆与阀套内孔之间要实现相对轴向运动，此处为滑动配 合，也即为动密封或间隙密封。针阀和针阀体内孔之间也要有相对轴 向运动，实现喷油，这也是滑动配合、动密封。这些部位由于是滑动 配合，其必然存在间隙，这种间隙不能太小了，否则无法保证可靠的 往复运动，而太大了，必然燃油泄漏严重，无法建立起高压，不能实 现高压喷射。显然这是一个无法克服的矛盾，而且随着柴油机排放法 规的不断升级，排放法规日益严格，柴油机必须进一步提高喷油压力， 这样使得这些部位的间隙密封的问题更为突出，实际上由于这些部位 的间隙，这种结构的高压共轨喷油器要实现喷油压力的进一步提高已 很困难。另外，阀套肩钾平面与喷油器体中空平面之间的径向间隙泄 漏，阀套的最小外圆与喷油器体内孔之间的轴向间隙泄漏。这两处尽 管是静密封，但随着喷射压力的进一步的提高，保证可靠的密封同样 也很困难。同样这些部位的泄漏如果不能得到有效的控制，则高压共 轨喷油器中的超高压喷射也是不可能实现的。发明内容本发明的目的就是要克服前述高压共轨喷油器的问题，使其密封 性能明显改善，喷射压力大幅度提高而设计的一种新型高压共轨电控 喷油器。本发明提出的挺杆式高压共轨电控喷油器，由喷油器体，高速电 磁铁，挺杆，针阀组件，中间垫块组件等组成。其中的高速电磁铁为 高速开关电磁铁。由动铁芯、静铁芯和复位弹簧组成。静铁芯中有激 磁线圈。当高速电磁铁的动铁芯在驱动电路的驱动下，往复运动时， 驱动与其连接在一起的一个推杆上下运动，进而驱动一个与其接触的 阶梯状圆柱形的挺杆上下运动，而这个挺杆的另一端与一个由半球 体、锥形孔、圆柱形孔和弹簧组成的两位两通开关阀的半球体的球面 接触。当高速电磁铁通电时，动铁芯被静铁芯吸合，挺杆在推杆的驱动 下向下运动时，挺杆推动半球体，使其离开锥形孔的内锥面，即实现 了此开关阀的开启。而当电磁铁断电时，高速电磁铁的动铁芯在其复 位弹簧的作用下复位时，推杆抬起，使挺杆与推杆接触的一端的作用 力消失，而挺杆的另一端在半球体复位弹簧的作用下抬起，并使半球 体又和锥形孔的内锥面接触，即半球体落座，开关阀闭合。按本发明，高速电磁铁安装在一个喷油器体的中空的肩胛面上， 其中静铁芯在下，与喷油器体的中空肩胛面接触，而动铁芯在静铁芯 的上面。当动铁芯被静铁芯通电吸合时，向下运动。按本发明，由半球体、锥形孔、圆柱形孔和弹簧组成的两位两通 的开关阀，锥形孔与圆柱形孔同心，并且锥形孔的小端孔口与圆柱形 孔的一端孔口连接在一起。此圆柱形孔的另一端孔口与喷油器体中心 的一个细长圆形通孔孔口接触。此圆柱形孔即为此两位两通开关阀的 出油口。挺杆在喷油器体的中心细长通孔中，其大端与推杆接触，另 一端，即小端伸进两位两通开关阀的圆柱形孔和锥形孔中，并与半球 体的球面接触。锥形孔的大端孔口与另一个较大直径的圆柱形孔的孔 口连接在一起，此圆柱形孔的直径与锥形孔的大端孔口相等。而在此大圆柱形孔内放置一个圆柱形压縮弹簧，此弹簧一端顶在半球体的平 面上，另一端与一个圆柱形平面垫块的上平面接触，使半球可靠地与 锥形孔的内锥面接触，此圆柱形平面垫块上还有一个垂直油孔，通过 第三个圆柱形平面垫块与之相通的垂直油孔与控制腔相通，此油孔即 为开关阀的进油？L。当挺杆作用在半球体球面上的作用力大于此复位 弹簧的预紧力加上喷油器内的高压燃油压力在半球体上的作用力时， 半球体才被推离与其接触的锥形孔的内锥面，实现了两位两通开关阀 进、出油液通道的连通，此即开关阀的开启状态。当挺杆作用力消失， 半球体在复位弹簧力和高压燃油压力的作用下抬起与锥形孔的内锥 面重新接触，使两位两通开关阀进、出油液通道被切断，此即开关阀 的关闭状态。按本发明，由半球体、锥形孔、圆柱形孔和弹簧组成的两位两通 的开关阀，其内部油液流道， 一端与喷油器体中心的细长通孔连通， 并经喷油器体上与喷油器体中心的细长通孔连通的回油孔连通，最后 与油箱连通。另一端与一个控制腔连通。按本发明，控制腔由一个针阀圆柱体的上端面、限制针阀升程的 圆柱形平面垫块（此垫块即为上述的第三个平面垫块）的下平面和与 针阀外圆柱面配合的一个圆柱形的套筒组成的。控制腔里的油液通过 此圆柱形平面垫块下平面的一个出油阻尼孔、中间过渡平面垫块上的 垂直油孔与上述两位两通开关阀的进油孔连通。同时在这个圆柱形垫 块下平面还有一个进油阻尼孔，此阻尼孔通过中间过渡平面垫块上的 径向油道与喷油器体上的高压燃油主油道连通。当两位两通开关阀关 闭时，经由高压燃油主油道来的高压燃油经过进油阻尼孔，进入控制腔，然后又经过出油阻尼？L、两位两通开关阀的进油孔，进入开关阀。由于此时开关阀关闭，即半球落座，则高压燃油的流动被截止，这使 控制腔内的油压上升，推动针阀落座，关闭针阀体下端的喷油孔，结 束喷油。当两位两通开关阀开启时，控制腔内的高压燃油经由出油阻 尼孔、两位两通开关阀、喷油器体中心细长通孔、回油孔回到油箱， 使控制腔的油压下降，当此压力下降到一定程度，针阀下端作用的高 压燃油足以克服控制腔的油压作用在针阀上端的压力时，针阀抬起， 针阀体内盛油槽的燃油经过针阀体上喷油孔向燃烧室喷出。在喷油器实现喷油时，与控制腔连通的进油阻尼孔始终与喷油器体上高压主油 道连通，因此喷油压力要下降，为此进油阻尼孔和出油阻尼孔的孔径 要足够的差异，并且进油阻尼孔孔径要足够小，使其形成明显的阻尼， 即形成足够的压力差，使喷油压力基本保持不变。按本发明，针阀组件与目前柴油机喷油系统中广泛使用的p、 S 系列的喷油嘴不同，针阀组件由针阀、针阀套、针阀体、圆柱形压縮 弹簧等组成。针阀（18)为三段轴径不同的圆柱体构成，针阀套是一 个圆柱形的空心套筒，内孔与针阀的上端大圆柱形外圆动配合，形成 间隙密封，针阀套的外圆与针阀体的内孔配合，形成静密封。针阀套 的上端面紧贴一个圆柱形的平面垫块（此平面垫块上有上述的进油阻 尼孔和出油阻尼孔）。下端面受一个圆柱形压縮弹簧作用，使其紧紧 地贴在圆柱形的平面垫块，确保由针阀、针阀套、圆柱形平面垫块组 成的控制腔能正常工作。而针阀的结构基本与p、 S系列的喷油嘴相 同，只是在其最大直径的外圆上有一个凸缘，此凸缘用于作用于针阀 套下端面圆柱形弹簧定位。按本发明，针阀在喷油器不喷油时，针阀套内孔与针阀外圆形成 径向间隙，其上下两端油液压力相同，不存在燃油泄漏，而仅在喷油 器喷油时，由于控制腔燃油压力下降，此径向间隙的上下两端油液压 力不相同，这时才存在燃油泄漏。按本发明，整个喷油器的高压区域仅仅局限在针阀组件和中间的圆柱形垫块上。原先存在于BOSCH喷油器中的液压挺杆与阀套内孔 之间间隙内的燃油泄漏，由于在本发明中，己不用阀套，而且，液压 挺杆（即本发明中的挺杆）处于抵压区，因此此泄漏也己不存在。 有益效果：本发明提出的挺杆式高压共轨喷油器，由于高压区域仅仅局限于 针阀组件和中间的垫块组件，喷油器体的加工难度大幅下降，喷油器 体上端的中空肩胛面仅仅用于高速电磁铁静铁芯的轴向定位，无密封 要求，而喷油器体的中心的细长通孔仅仅是泄油通道，其间的挺杆与 此无精密配合要求，因此喷油器体的加工精度较低，挺杆的加工精度 也较低。精密加工的零件主要是针阀组件和垫块组件。而垫块主要是 平面密封，工艺比较成熟，加工难度也不大。整个喷油器的内泄漏大大减少，很容易形成高压或超压喷射，而且系统能量利用率改善，系 统效率提高。附图说明图1为挺杆式高压共轨喷油器的结构图图中：l一喷油器体，2 —静铁芯，3 —动铁芯，4一复位弹簧，5 一推杆，6—锁紧螺母，7 —调整垫圈，8 —端盖，9一大螺母，10 —挺 杆，ll一复位弹簧，12垫块（12)、 13垫块（13)、 14一垫块（14)， 15 —线圈，16 —半球，17 —复位弹簧，18 —针阀，19一针阀套，20 一针阀体，21—弹簧，22 —连接螺母，W—进油口， H—低压燃油的 回油口， yl至y5 —垂直油孔，y31-垂直通油孔，y32 —径向油槽，y41、 y42-垂直油孔，i-进油阻尼孔，k-控制腔，o-出油阻尼孔，具体实施方案下面结合附图对本发明做详细说明：本发明的具体结构如图1所示。高速电磁铁为高速开关电磁铁，由静铁芯2、动铁芯3和复位弹簧4组成。静铁芯中有激磁线圈15。 当高速电磁铁的动铁芯3在驱动电路的驱动下，往复运动时，驱动与 其连接在一起的推杆5上下运动，进而驱动挺杆IO上下运动，这样 就可使由半球16和复位弹簧17组成的两位两通开关阀实现开启与闭 合。喷油器体上有高压燃油的进油口 w，低压燃油的回油口H。由高 压共轨来的燃油由进油接口 W进入喷油器体，然后经由轴向的细长 油孔yl与喷油器体下端的垫块12、垫块D、垫块14上的轴向油孔 y2、 y3、 y4相通，最后与针阀体20的油孔y5相通进入针阀蓄压腔。 同时经由垫块13的径向油道y32、垫块14上的轴向油孔y42以及进 油阻尼孔i将高压燃油作用到针阀上端。垫块14上的出油阻尼孔o 和垫块14上的轴向油孔y41、垫块13上的轴向油孔y31与垫块12 上的弹簧腔相通，这样又可使高压燃油作用到半球16上，使半球16落座，将泄油孔封死，实现高压密封。半球16下面还有一个复位弹簧17。针阀18的上端面与针阀套19的内孔、垫块14的下平面形成 了一个密闭的空间，此即为控制腔K，该控制腔K与外界的联系通 道就是垫块14下端面上的进油阻尼孔i和出油阻尼孔o。控制该控制 腔的燃油压力就可实现喷油器的燃油喷射功能。当高速电磁铁通电，动铁芯3吸合，带动推杆5向下运动，推杆 5推动挺杆10向下运动，两位两通开关阀在挺杆10的作用下开启， 此时，针阀上端面作用的高压燃油经过垫块14上的出油阻尼孔o、 垂直油孔y41和垫块13上的油孔y31,然后经过垫块12上的弹簧腔、 半球16，再由喷油器体的中间细长通孔、回油孔H，回到油箱，使 针阀上端面的燃油压力下降。与此同时，作用在针阀18下端锥面上 的燃油压力却基本保持不变。因为，尽管此时会有部分高压燃油经过 垫块14上的进油阻尼孔i、出油阻尼孔o泄走。但由于进油阻尼孔i 和出油阻尼孔o之间的明显的流量差，致使进油阻尼孔i会形成明显 的阻尼，即形成明显的压力差，这样基本上可保证作用在针阀下端锥 面上的高压燃油压力不变，当此燃油压力乘上针阀下端锥面在针阀轴 向的投影面积所产生的总油压大于针阀上端面的总油压时，针阀抬 起，针阀体内的高压燃油经过针阀体下端的喷孔向发动机燃烧室喷 油。当电磁铁断电，动铁芯3在复位弹簧11的作用下升起，并带动 推杆5抬起，这样使挺杆10上端的作用力消失，而挺杆10在其下端 的半球16下的复位弹簧17和油压作用下被抬起，同时半球16落座 使回油通道关闭，针阀18上端控制腔K的油压上升，当此压力大于 针阀18下端锥面上的油压时，针阀18落座，关闭针阀体20上的喷 油孔，喷油结束。显然控制高速电磁铁的通电与断电即可实现此高压共轨喷油器 的喷油，控制高速电磁铁的通电时刻即可实现喷油定时的控制，控制 高速电磁铁的通电时间长短即可实现喷油持续期的控制。整个喷油器的高压部分仅局限在半球16和复位弹簧17组成的两 位两通开关阀以下的区域内，即仅在针阀组件和垫块组件内。在这些 部分只有针阀18和针阀套19内孔之间有环形间隙密封，即有一个滑 动配合，因为针阀要在针阀套内往复运动。但此间隙在喷油器不喷油时，其上下两端作用油压相等，因此不会产生流动，而仅仅在喷油时， 由于针阀上端控制腔压力下降，而针阀套19下端仍为高压，致使针 阔套19上下端产生了压力差，这样就会产生油液流经此间隙的缝隙流动，即泄漏。而BOSCH的喷油器，针阀和针阀体之间的往复运动 间隙，由于针阀上端与低压区始终相通，而下端与高压区始终相通， 因此针阀与针阀体内孔之间的径向间隙在轴向始终存在压力差，因此 必然存在缝隙流动，这样在此间隙内始终有油液泄漏。另外，BOSCH 的喷油器内还有一个液压挺杆和与之配合的阀套。阀套内孔与液压挺 杆的配合为滑动配合，因此也存在间隙。此间隙的上端为高压燃油， 下端为低压燃油，所以也始终存在压力差，此压力差导致在此间隙内 始终存在缝隙流动，即始终存在泄漏，而且无论喷油与否。本发明中 虽然也有一个挺杆10，但它在喷油器体的中心细长通孔，此孔与回 油孔相通，因此为低压区，不存在高压油的泄漏。而且本发明没有阀 套，因此也不存在像BOSCH喷油器阀套与喷油器内孔之间的静密封、 阀套与喷油器中空肩胛面之间的静密封。本发明提出的挺杆式高压共轨喷油器件构简单，零件数大大减 少。原先在BOSCH的高压共轨喷油器中存在的许多间隙密封都不存 在，因此高压燃油的泄漏大大减少，很容易在喷油器中建立起高压， 实现高压或超高压燃油喷射，以满足日益严格的柴油机排放法规的要 求。

Claims (8)

1、一种挺杆式高压共轨电控喷油器，包括喷油器体(1)，高速电磁铁，挺杆(10)，针阀组件，两位两通常闭式开关阀、中间垫块组件等，其特征在于，喷油器体(1)的中心细长通孔为阶梯状圆孔，挺杆(10)装于喷油器体的小直径圆孔中，小直径圆孔既与挺杆(10)配合也用于回油通道，大直径圆孔内安装一个复位弹簧(11)，此孔上端为一个中空肩胛面和用于安装电磁铁静铁芯(2)的圆孔，中空肩胛面用于电磁铁静铁芯轴向定位；高速电磁铁包括静铁芯(2)、动铁芯(3)、复位弹簧(4)，静铁芯中心为一圆形通孔，与支撑动铁芯(3)的推杆(5)配合，动铁芯(3)支撑在推杆(5)上；挺杆(10)是一个阶梯型圆形长杆；半球体(16)和锥形孔的内锥面、圆柱形压缩弹簧(17)组成两位两通常闭式开关阀；针阀组件由针阀(18)、针阀套(19)、针阀体(20)和圆柱形压缩弹簧(21)组成，针阀(18)为三段轴径不同的圆柱体构成。

2、 按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于， 高速电磁铁为高速开关电磁铁，静铁芯（2)与喷油器体（1)的中心 阶梯细长孔同心，推杆（5)上有一个凸缘，用于动铁芯定位，推杆(5)的另一端有一个较小直径的圆柱体，其端面与挺杆大断面接触， 此较小直径的圆柱体外圆安装一个圆柱形压縮弹簧（11)，为动铁芯(3)的复位弹簧，此弹簧（11)的一端安放在喷油器体（1)的阶梯 孔的台阶上，另一端支撑推杆（5)。

3、 按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于，挺 杆（10)大端与推杆（5)接触，小端与两位两通开关阀的半球体（16) 的球面接触，挺杆（10)安装在喷油器体（1)的中心细长通孔内， 无须精密配合。

4、 按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于， 半球体（16)的球面与锥形孔的内锥面贴合形成密封面，圆柱形压縮 弹簧（17)的一个端面与半球体（16)的平面接触，另一端面与垫块(12)的上平面接触。

5、 按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于， 针阀（18)上端圆柱体上距针阀（18)上端面最远处有一个凸缘，凸 缘下为另一圆柱体，此圆柱体直径小于凸缘上面圆柱体直径，此圆柱体的另一端加工为一个更小直径的圆柱体，此圆柱体的末端是一个圆锥体，针阀套（19)是一个空心圆柱体，内孔与针阀（18)上端最大 直径圆柱体外圆配合，并为精密滑动配合，外圆柱面与针阀体（20) 大直径内孔紧配合，以形成可靠的静密封，针阀套（19)的一个端面 必须紧贴在垫块（14)的下端面上，针阀套（19)的另一个端面与针 阀（18)的凸缘之间安装一个圆柱形的压縮弹簧（21)，将针阀（18) 的小端锥面压在针阀体（20)内孔底部的锥面。

6、 按照权利要求5所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于， 针阀体（20)的高压燃油油道，即垂直油孔（y5)是在偏离针阀体轴 向中心处加工一个与针阀体轴向中心线平行的轴向油孔，在针阀体的 中心大孔中加工有径向油孔（y32)与此油孔相，此径向油孔的位置 要确保针阀装入针阀体并已落座时，针阀上的凸缘要高于此径向油 孔。

7、 按照权利要求5所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于， 针阀（18)的最大直径圆柱体的端面和针阀套（19)的内孔、垫块（14) 下端平面封闭的空间构成了控制腔(k)，垫块（14)下端面有进油阻 尼孔(i)和出油阻尼孔(o)与控制腔(k)相通，与控制腔(k)相通的进油阻 尼孔(i)的孔径小于出油阻尼孔(o)的孔径。

8、 按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于， 喷油器的喷射压力可达180MPa。