CN101539084B - 共轨式电控喷射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种共轨式电控喷射器，属于电控燃油喷射系统技术。该控制器包括：进油接头、进油口、电磁铁装置、喷嘴体、针阀、阀座、喷孔，所述电磁铁装置包括一静铁芯、一动铁芯和一线圈，静铁芯与动铁芯之间在轴向存在工作间隙H；所述动铁芯与针阀之间在轴向活动连接；还包括：一个作用在针阀上的压缩弹簧、一个作用在动铁芯上的施力机构，以及一个在动铁芯复位时提供轴向止推的阻挡机构。本发明的共轨式电控喷射器具有制造成本低、可靠性好、驱动能量小的优点。

Description

共轨式电控喷射器
技术领域
本发明涉及一种共轨式电控喷射器，特别涉及一种用于压燃式发动机(柴油机)共轨式电控燃油喷射系统中的共轨式电控喷射器。
背景技术
共轨式电控喷射器的功能是：采用脉冲电信号，控制喷射器喷射开始和结束。现有技术，如BOSCH公司的CR系统、日本电装公司的ECD-U2系统、意大利的FIAT集团的unijet系统、英国DELPHI DIESEL SYSTEMS公司的LDCR系统所用的共轨式电控喷射器，其共同特征是：有一个电磁阀和受电磁阀控制的控制室，电磁力首先控制一个电磁阀的开关动作，改变控制室压力，从而改变液力活塞或针阀上端面的液压力，最终控制针阀的抬起或落下。这类技术的缺点：1、控制环节多，电磁力先转为电磁阀阀芯位移，再转为控制室压强，再转为针阀位移，控制环节多造成尺寸链控制困难，制造成本高可靠性下降；2、动密封环节多，液力活塞或针阀外圆柱面都有动密封要求，造成泄漏损失，并存在卡死的故障源；3、电磁阀在释放控制室压力过程中会排出相当比例的高压燃油，加上动密封环节的泄露损失，能量利用率低；4、喷射器必须带一个回油口，收集控制室回油和动密封泄露燃油，管路布置复杂。
另一方面，目前用于汽油机的电控喷射器，包括气道喷射和缸内直喷喷射器，其工作原理是通过电磁铁直接拉动针阀，实现喷射过程控制，其优点是控制环节少，动密封环节少，喷射器无回油口，能量利用率高。但是由于电磁铁的电磁力有限，采用这种工作原理的电控喷射器只适合用于喷射压力较低(小于120bar)的场合。无法用于柴油机燃油喷射系统中。
发明内容
本发明的目的，是提供一种用于压燃式内燃机的共轨式电控喷射器，要克服目前共轨式电控喷射器的上述缺点，吸收目前汽油机电控喷射器的优点，使共轨式电控喷射器具备：控制环节少、动密封环节少、能量利用率高、无回油的优点。
上述目的是通过如下工作原理和设计方案实现的：
本发明的工作原理利用了一种物理现象：当一个运动物体和另一个静止物体发生刚性撞击时，在短时间内会产生很大的撞击力，本发明利用了这一物理现象实现电磁力的放大。具体做法：先通过电磁力使电磁铁动铁芯具备一定的速度和动能，再撞击处于静止状态的喷射器针阀，利用撞击产生的撞击力和电磁力的合力迫使针阀克服液压力而打开，一旦针阀开启，液压力会迅速减小到接近0，这时的电磁力只需克服针阀复位弹簧力即可维持针阀的开启状态。
本发明的设计方案如下：
一种共轨式电控喷射器，包括：进油接头，位于进油接头外端的进油口、电磁铁装置、喷嘴体、针阀、阀座和喷孔，所述电磁铁装置包括一静铁芯、一动铁芯和一线圈、静铁芯与动铁芯之间的工作间隙H。
其特征在于：所述动铁芯与针阀之间在轴向活动连接，在电磁铁装置断电复位状态下，动铁芯与针阀在轴向的距离为h，在电磁铁装置通电后，动铁芯先靠近针阀，然后撞击针阀，最后带动针阀一起向静铁芯方向运动。
还包括：一个作用在针阀上并向针阀施加向下复位力的第一压缩弹簧；一个作用在动铁芯上并向动铁芯施加向下复位力的施力机构，以及一个在动铁芯复位时提供轴向止推的阻挡机构。
所述的施力机构是以下三种形式中的任何一种，
第一种：施力机构包括一个固定安装在喷嘴体12上部的永磁铁20，永磁铁20的上端面位于动铁芯14下方，并与动铁芯14下端面相对应；
第二种：将永磁铁固定在动铁芯14的底部位置；将动铁芯14下方的环形阻挡面13磁化产生磁力；
第三种：静铁芯5与动铁芯14之间，增加一个压缩弹簧，使动铁芯14受到一个向下的作用力。
作为实现动铁芯与针阀撞击过程的优选实施方式，将针阀外形设计成T型，上部有一凸缘，凸缘下端面构成的撞击面a，动铁芯中心开有阶梯孔，阶梯孔的过渡处为一肩胛面，该平面构成与撞击面a对应的撞击面b，在电磁铁装置断电复位状态下，撞击面a与撞击面b之间的距离为h，当电磁铁装置通电之后，撞击面a、b发生撞击。
作为电磁铁装置的优选实施方式，所述的电磁铁装置还包括：位于静铁芯外围的上导磁套和位于动铁芯外围的下导磁套，在上导磁套与下导磁套之间的隔磁套，以及线圈外围的壳体，静铁芯、上导磁套、壳体、下导磁套、动铁芯、工作间隙H依次串接，构成环绕线圈的封闭环形磁路。
作为动铁芯复位施力机构的优选实施方式，所述的施力机构，包括一个固定安装在喷嘴体上部的永磁铁，永磁铁的上端面位于动铁芯下方，并与动铁芯下端面相对应。
作为动铁芯复位阻挡机构的优选实施方式，在位于动铁芯下方的喷嘴体上端面上，有一环形阻挡面。
本发明由于利用了上述新的工作原理和新型结构，电磁铁产生的有限电磁力通过撞击原理得以放大，可以直接驱动针阀运动，而无需经过液压控制环节，因此控制环节少；由于喷射器内部无需柱塞偶件，动密封环节只剩下有针阀和阀座，因此动密封环节减到最少程度；由于没有控制室的回油和柱塞偶件的泄露损失，系统的能量利用率高；上述原因使得喷射器不需要回油口。
上述优势的最终表现是：本发明的共轨式电控喷射器具有制造成本低、可靠性好、驱动能量小的优点。
附图说明
图1为共轨式电控喷射器的轴向剖视图
图2是动铁芯的A-A向剖视图
图3是动铁芯的B-B向剖视图
图4是阀座沿C-C向剖视图
具体实施方式
下面结合附图，对共轨式电控喷射器结构和原理进行详细说明：
如图1所示，共轨式电控喷射器包括：进油接头1，位于进油接头1外端的进油口28、电磁铁装置、喷嘴体12、针阀15、阀座18和喷孔17，所述电磁铁装置包括一静铁芯5、一动铁芯14和一线圈9、静铁芯5与动铁芯14之间的工作间隙H，
动铁芯14与针阀15之间在轴向活动连接，在电磁铁装置断电复位状态下，动铁芯14与针阀15在轴向的距离为h，在电磁铁装置通电后，动铁芯14先靠近针阀15，然后撞击针阀15，最后带动针阀15一起向静铁芯5方向运动；
还包括：一个作用在针阀15上并向针阀15施加向下复位力的第一压缩弹簧24；一个作用在动铁芯14上并向动铁芯14施加向下复位力的施力机构，以及一个在动铁芯14复位时提供轴向止推的阻挡机构。
本实施例所用的动铁芯与针阀的撞击机构具体为：针阀15外形呈T型，上部有一凸缘，凸缘下端面构成的撞击面a，动铁芯14中心开有阶梯孔22，阶梯孔22的过渡处为一肩胛面，该平面构成与撞击面a对应的撞击面b，在电磁铁装置断电复位状态下，撞击面a与撞击面b之间的距离为h，当电磁铁装置通电之后，撞击面a、b发生撞击。还可以选择其它撞击结构形式，比如：针阀凸缘外形不变但位置上移，阶梯孔22变成与针阀15配合的圆柱通孔，撞击面b设计在动铁芯14顶面；针阀上部开环槽，槽内卡上弹性卡簧，卡簧的外凸部分代替凸缘的功能；还可以在动铁芯上固定与轴线垂直相交的销子，在针阀上设计一个与该销子配合的长槽实现上述撞击功能。
图1所表示的电磁铁装置除了静铁芯5、一动铁芯14和一线圈9、静铁芯5与动铁芯1 4之间的工作间隙H之外，还包括：位于静铁芯5外围的上导磁套7和位于动铁芯1 4外围的下导磁套11，在上导磁套7与下导磁套11之间的隔磁套10，以及线圈9外围的壳体8，静铁芯5、上导磁套7、壳体8、下导磁套11、动铁芯14、工作间隙H依次串接，构成环绕线圈9的封闭环形磁路。图1表达的动铁芯与静铁芯之间的一对吸合面是一对平面，也可以采用大行程电磁铁所用的阶梯面或锥面，电磁铁装置除了上述的方案之外，还可以采用目前所公知的其它结构形式，比如：将动铁芯设计成一个圆盘的菌型电磁铁结构，这种结构没有隔磁套。
图1中，用于提供动铁芯复位的施力机构，包括一个固定安装在喷嘴体12上部的永磁铁20，永磁铁20的上端面位于动铁芯14下方，并与动铁芯14下端面相对应。上述的永磁铁20呈园环状，其轴线与动铁芯14轴线重合，其极化方向为轴向。施力机构还可以采用其它形式，比如：将永磁铁固定在动铁芯的底部位置；将动铁芯下方的环形阻挡面13磁化产生磁力；静铁芯与动铁芯之间，增加一个压缩弹簧，使动铁芯受到一个向下的作用力。
图1中，用于动铁芯复位止推的阻挡机构，是位于喷嘴体上端面上的一环形阻挡面13，该阻挡面13位于动铁芯14的下方。还可以采用其它形式，比如在针阀上设计一个肩胛面，当动铁芯移动到复位位置时，该肩胛面与动铁芯底面接触实现止推功能。
如图1所示，在静铁芯5中心布置有弹簧孔26，其上端与进油口28相通，第一压缩弹簧24的上部安装在弹簧孔26内，第一压缩弹簧24的下部安装在动铁芯14中心的阶梯孔22内，并与针阀15凸缘的上端面接触。
在上述实施例中，隔磁套10的材料为无磁性材料，比如无磁不锈钢或无磁钛合金。隔磁套10与上导磁套7及与下导磁套11之间的连接方式为焊接。喷嘴体12的上端面与下导磁套11的下端面之间，以及喷嘴体12的下端面与阀座18的上端面之间，也采用采用焊接方式连接。在喷射器直径尺寸允许较大的情况下，上述需要焊接的结合面也可以采用常规喷射器所使用的平面密封，螺纹紧帽压紧的连接方式。
如图1所示，静铁芯5外形为上部带凸缘的T型圆柱体，其外园柱面与上导磁套7的内圆面之间紧密接触，静铁芯5凸缘的下端面6与上导磁套7上相对应的肩胛面接触，在静铁芯5的上端面与进油接头1的下端面之间有一第二压缩弹簧27，所述的第二压缩弹簧27可以选择蝶形压缩弹簧。上述设计的优点在于装配工艺性较好。
为了减少电涡流损失，进一步提高喷油器的电磁响应速度，并增加燃油流通面积，减少流通阻力，如图1、2所示，上述的静铁芯5内部开有多个窄槽25，该窄槽以静铁芯5轴线为中心呈放射状分布。基于同样目的，如图1、3所示，上述动铁芯14内部开有多个窄槽23，该窄槽以动铁芯14轴线为中心呈放射状分布。
为了提高喷射器的工作寿命，动铁芯14上端面和外圆柱面，以及静铁芯5的下端面覆盖有耐磨无磁涂层，无磁涂层的功能除了增加耐磨性之外，还起到提高动铁芯14断电释放速度的作用，要达到这个目的，还可以在静铁芯5下端面或动铁芯14上端面固定一个隔磁垫片。
为了改善针阀与阀座的配合，在靠近阀座18处固定一针阀导向套16，其中心开有与针阀15滑动配合的圆孔19，外围开有多个流通槽29，燃油可以无阻力地越过流通槽到达阀座附近。圆孔19的轴线与阀座18的轴线重合。当然流通槽29也可以用多个流通孔取代。
如图1所示，进油接头1以螺纹形式安装在上导磁套7上，进油接头1下部的肩胛面2与上导磁套7的肩胛面4之间是一环形空间，内置密封环3，所述的密封环3材料可以选择有一定变形能力和强度的金属或塑料，比如铜、铝合金、聚四氟乙烯、尼龙中的任何一种。上述进油接头的安装方式的优点是便于装配和修理，还可以采用焊接方式连接或将进油接头1与上导磁套7制成一体。
下面是上述共轨式电控喷射器的工作原理：
起始状态：电磁铁线圈9没有通电，动铁芯14受永久磁铁20的吸引，保持与止推面13贴合状态，动铁芯14上端面与静铁芯5下端面之间的距离为H。针阀15在第一压缩弹簧24和内部液压力作用下，与阀座18保持密封状态，此时喷射器不喷油。此时动铁芯14上的撞击面b与针阀上的撞击面a之间距离h，h定义为自由升程。
喷射过程：电磁铁线圈9通电，动铁芯14受向上的电磁吸力，克服永磁铁2 0的吸力向上运动，这个过程动铁芯14获得一定的动能；在运动过程中，动铁芯14上的撞击面b与针阀的撞击面a之间的距离，由h减小为0，此时动铁芯与静铁芯之间的距离为H-h，称作有效升程；两个撞击面贴合撞击，蓄存在动铁芯上的动能以及动铁芯所受的电磁吸力转化为对针阀14的向上的推力，当针阀14克服第一压缩弹簧24的弹簧力与液压力的合力而抬起，喷射过程开始。动铁芯14带动针阀15继续向上运动，针阀15所受的液压力迅速减小，有效升程从(H-h)减小为0，针阀开到最大值。
停喷过程：电磁铁线圈9断电，动铁芯14所受电磁吸力减小，针阀15在第一压缩弹簧24向下的弹簧力作用下，带动动铁芯14一起向下运动，针阀15与阀座18距离减小为0，喷射停止；动铁芯14和针阀15脱离，并在惯性和永磁铁20吸力的作用下继续向下运动，直至与止推面13贴合，此时喷射器回到复位状态。
本发明所提供的共轨式电控喷射器，可应用于喷射压力在1000bar以上的柴油机燃油喷射系统中；由于内部没有柱塞密封环节，并且没有回油口，也特别适合用于二甲醚、液化石油气等低粘度燃料的共轨式喷射系统中；本发明还可以扩展用于天然气发动机的缸内直喷喷射系统。

Claims (16)

1.一种共轨式电控喷射器，包括：进油接头(1)，位于进油接头(1)外端的进油口(28)、电磁铁装置、喷嘴体(12)、针阀(15)、阀座(18)和喷孔(17)，所述电磁铁装置包括一静铁芯(5)、一动铁芯(14)和一线圈(9)，静铁芯(5)与动铁芯(14)之间在轴向存在工作间隙H；
其特征在于：所述动铁芯(14)与针阀(15)之间在轴向活动连接，在电磁铁装置断电复位状态下，动铁芯(14)与针阀(15)在轴向存在距离h，在电磁铁装置通电后，动铁芯(14)先靠近针阀(15)，然后撞击针阀(15)，最后带动针阀(15)一起向静铁芯(5)方向运动；
还包括：一个作用在针阀(15)上并向针阀(15)施加向下复位力的第一压缩弹簧(24)；一个作用在动铁芯(14)上并向动铁芯(14)施加向下复位力的施力机构，以及一个在动铁芯(14)复位时提供轴向止推的阻挡机构；
所述的施力机构是以下三种形式中的任何一种，
第一种：施力机构包括一个固定安装在喷嘴体(12)上部的永磁铁(20)，永磁铁(20)的上端面位于动铁芯(14)下方，并与动铁芯(14)下端面相对应；
第二种：将永磁铁固定在动铁芯(14)的底部位置；将动铁芯(14)下方的环形阻挡面(13)磁化产生磁力；
第三种：静铁芯(5)与动铁芯(14)之间，增加一个压缩弹簧，使动铁芯(14)受到一个向下的作用力。
2.按照权利要求1所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述针阀(15)外形呈T型，上部有一凸缘，凸缘下端面构成的撞击面a，动铁芯(14)中心开有阶梯孔(22)，阶梯孔(22)的过渡处为一肩胛面，该平面构成与撞击面a对应的撞击面b，在电磁铁装置断电复位状态下，撞击面a与撞击面b之间的距离为h，当电磁铁装置通电之后，撞击面a、b发生撞击。
3.按照权利要求1所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述的电磁铁装置还包括：位于静铁芯(5)外围的上导磁套(7)和位于动铁芯(14)外围的下导磁套(11)，在上导磁套(7)与下导磁套(11)之间的隔磁套(10)，以及线圈(9)外围的壳体(8)，静铁芯(5)、上导磁套(7)、壳体(8)、下导磁套(11)、动铁芯(14)、工作间隙H依次串接，构成环绕线圈(9)的封闭环形磁路。
4.按照权利要求3所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：隔磁套(10)的材料为无磁不锈钢或无磁钛合金，隔磁套(10)与上导磁套(7)及与下导磁套(11)之间的连接方式为焊接。
5.按照权利要求3所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：喷嘴体(12)的上端面与下导磁套(11)的下端面之间，以及喷嘴体(12)的下端面与阀座(18)的上端面之间，采用焊接方式连接。
6.按照权利要求3所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：静铁芯(5)外形为上部带凸缘的T型圆柱体，其外圆柱面与上导磁套(7)的内圆面之间紧密接触，静铁芯(5)凸缘的下端面(6)与上导磁套(7)上相对应的肩胛面接触，在静铁芯(5)的上端面与进油接头(1)的下端面之间有一第二压缩弹簧(27)。
7.按照权利要求6所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述的第二压缩弹簧(27)是一蝶形压缩弹簧。
8.按照权利要求7所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述的永磁铁(20)呈圆环状，其轴线与动铁芯(14)轴线重合，其极化方向为轴向。
9.按照权利要求1所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述的阻挡机构，是位于喷嘴体上端面上的一环形阻挡面(13)，该阻挡面(13)位于动铁芯(14)的下方。
10.按照权利要求1至9任何一项所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述静铁芯(5)中心布置有弹簧孔(26)，其上端与进油口(28)相通，第一压缩弹簧(24)的上部安装在弹簧孔(26)内，第一压缩弹簧(24)的下部与针阀(15)的上端面相接触。
11.按照权利要求1至9任何一项所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述的静铁芯(5)内部开有多个窄槽(25)，该窄槽以静铁芯(5)轴线为中心呈放射状分布。
12.按照权利要求1至9任何一项所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述动铁芯(14)内部开有多个窄槽(23)，该窄槽以动铁芯(14)轴线为中心呈放射状分布。
13.按照权利要求1至9任何一项所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：动铁芯(14)上端面和外圆柱面，以及静铁芯(5)的下端面覆盖有耐磨无磁涂层。
14.按照权利要求1至9任何一项所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：在靠近阀座(18)处固定一针阀导向套(16)，其中心开有与针阀(15)滑动配合的圆孔(19)，外围开有多个流通槽(29)，圆孔(19)的轴线与阀座(18)的轴线重合。
15.按照权利要求3至8任何一项所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：进油接头(1)以螺纹形式安装在上导磁套(7)上，进油接头(1)下部的肩胛面(2)与上导磁套(7)的肩胛面(4)之间是一环形空间，内置密封环(3)。
16.按照权利要求15所述的共轨式电控喷射器，其特征在于：所述的密封环(3)材料是铜、铝合金、聚四氟乙烯、尼龙中的任何一种。
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