CN102713170B - 具有衔铁活塞的流体偏压液力控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液力控制阀，包括：螺线管体部，能够选择性激励的线圈，以及邻近所述线圈定位的衔铁。所述线圈能够被激励以产生将所述衔铁从第一位置移动到第二位置的磁力。极靴定位成在所述极靴和所述衔铁之间建立间隙。所述极靴具有在所述间隙处开口的凹腔。活塞从所述衔铁延伸到所述凹腔内并且与所述衔铁一起移动。所述衔铁在所述第一位置被加压流体偏压至坐落在阀座上。移动所述衔铁离开所述阀座所需的磁力是所述活塞的面积和由所述衔铁在所述阀座处的接触限定的面积之间的差的函数。

Description

具有衔铁活塞的流体偏压液力控制阀

技术领域

本发明涉及电动操作的液力控制机构，例如电磁阀。

背景技术

液力控制系统的电磁控制阀用于控制加压的油，所述油可以用于切换在切换挺杆（switching lifter）中的掣子销（latch pin）以及在发动机气门系统中的间隙调节器。气门挺杆是控制发动机中的排气门和进气门的打开和闭合的发动机部件。间隙调节器也可以用于解除触发（deactivate）发动机中的排气门和进气门。发动机气门可以被选择性地解除触发或停用，以便当发动机的功率需求减小时使发动机中的一些气缸不工作。通过对气缸解除触发，可以提高发动机的燃料效率。

发动机解除触发电磁控制阀必须以最小的响应时间操作以使得发动机效率最大化并且防止发动机损坏。阀响应时间包括阀触发响应时间和解除触发响应时间。电磁控制阀通过触发线圈向移动控制阀杆的衔铁施加磁力，以便抵抗通常由弹簧提供的偏压力来移动衔铁。通常，由螺线管施加的较大磁力将减小响应时间。可以通过增加线圈的尺寸来增加由线圈施加的磁力。但是，成本、可用空间以及重量减小的考虑将限制线圈的尺寸。

发明内容

（本发明的）液力控制阀构造为通过减小有效压力面积/区域而能够利用相对便宜的线圈工作，其中加压流体作用在所述有效压力面积上以产生偏压力，所述偏压力必须被线圈产生的磁力克服以将所述阀移动到激励位置。具体地，所述阀包括螺线管体部，能够选择性激励的线圈，以及邻近所述线圈定位的衔铁。所述线圈能够被激励以产生将所述衔铁从第一位置移动到第二位置的磁力。极靴（pole piece）定位成在所述极靴和所述衔铁之间建立间隙。所述极靴具有在所述间隙处开口的凹腔。活塞从所述衔铁延伸到所述极靴的凹腔内并且与所述衔铁一起移动。所述阀体部、衔铁和活塞构造为：使得所述衔铁在所述第一位置被加压流体偏压至坐落在阀座上。移动所述衔铁离开所述阀座所需的磁力是所述活塞的面积和由所述衔铁在所述阀座处的接触限定的面积之间的差的函数。

在一个实施例中，所述衔铁和阀杆包括第一提动阀芯（poppet）和第二提动阀芯，所述阀体部限定具有第一座（即，阀座）的供应室，第二座，以及在所述第一座和第二座之间的控制室。在所述第一位置，所述第一提动阀芯构造为坐落在所述第一座处并且所述第二提动阀芯构造为与所述第二座分离，以便阻止加压流体越过所述第一座流动和从所述控制室越过所述第二座排出流体。在所述第二位置，所述第一提动阀芯构造为与所述第一座分离并且所述第二提动阀芯构造为坐落在所述第二座处，以便允许加压流体从所述供应室向所述控制室的流动和阻止从所述控制室向排放室（exhaust chamber）的流动。

从下面结合附图对用于实施本发明的最佳方式的详细描述，可以容易地看到本发明的以上特征和优点以及其它特征和优点。

附图说明

图1是电磁阀的透视图；

图2是图1所示的电磁阀的分解透视图；

图3是沿图1中的剖面线3-3的平面的剖视图，其示出所述阀处于第一闭合去激励位置；以及

图4是类似于图3的局部剖面图，其示出所述阀处于第二打开激励位置。

具体实施方式

图1示出电磁阀10，所述电磁阀10例如为用于在内燃发动机或者柴油发动机中解除触发挺杆或者操作双提升系统（dual lift system）的电磁阀。电磁阀10也可以称为液力控制阀或者电磁致动器。电磁阀10安装在发动机12中。电磁阀10包括螺线管部分16和阀体部18。

图2和3示出电磁阀10具有螺线管包壳（solenoid can）20，所述螺线管包壳容纳向电磁阀10供电的线圈22。极靴24组装在螺线管包壳20内。极靴24限定了用于螺线管16的磁通路线的一部分。磁通收集器插件26设置在螺线管包壳20内，并且也形成用于螺线管16的磁通路线的一部分。

通过激励线圈22产生的磁通作用在衔铁28上，以便将电磁阀10从图3所示的正常闭合（第一）位置变换到图4所示的打开（第二）位置。在极靴24的径向延伸表面32和衔铁28的径向延伸表面33之间设有气隙30。可以通过相对于衔铁28调节极靴24来调节气隙30。在衔铁28内设有图2中所示的泄放凹槽（relief groove）34，以有助于加压的油沿衔铁28的轴向流动。泄放凹槽34也被称为管道。作为替代，可以在阀体部18内邻近衔铁28形成一管道，以提供加压的油越过衔铁28的流动。磁通收集器插件26可以邻近线圈22和阀体部18插入模制的单件式或多件式体部40中。

参照图3，活塞29被压配合或者固定在由衔铁28限定的开口31中，以便活塞29从衔铁28延伸并且与衔铁28一起移动。活塞29还延伸进入在极靴24内形成的凹腔35中。活塞29的头部37在衔铁28移动时在凹腔35内滑动，并且构造成使得油封39被保持在活塞29和极靴24之间。活塞29是非磁性材料以便磁通不会从衔铁28沿活塞29传递，从而保持气隙30的有效性。

任选地，在活塞29和极靴24之间在凹腔35内容纳弹簧45。弹簧45朝下文所述的第一去激励位置偏压衔铁28。在极靴24内设有另一开口47，该开口47与气隙30相对并且通向凹腔35，以使得抵抗活塞29朝极靴24运动的压力最小或者减缓该压力。

阀体部18限定了油入口室41，其也被称为供应室，衔铁28设置在该室中，并且该室最初接纳加压的油。阀体部18还限定了中间室42，其也被称为控制室。在阀体部18的外部设有多个O型圈凹槽43，每个O型圈凹槽43接纳多个密封件44中的一个。密封件44在阀体部18和发动机12之间建立密封。体部40限定了延伸进入螺线管部分16中的内部线圈接收器46，或者绕线轴。线圈22仅示出一部分，但是应理解的是，线圈22充满该线圈接收器46。体部40可以如图所示形成为单件式一体塑料模制部件，或者可以形成为多个部件并且组装在一起。线圈22缠绕在线圈接收器46上。

阀杆48具有被接纳在衔铁28中的开口52内的部分50。可以通过阀杆48和衔铁28之间的螺纹连接或者压配合来相对于衔铁28调节阀杆48的位置。衔铁28包括在这里称为第一提动阀芯的提动阀芯54，其响应压力的改变相对于阀座56移动，如下文更全面描述的。在这里称为第二提动阀芯的排放提动阀芯60设在控制阀杆48的一个端部上，以便相对于阀座62移动，以打开和闭合排放端口70。阀座56在这里可以称为第一阀座，阀座62在这里可以称为第二阀座。

在发动机12中设有供应通道（gallery）64，以便向在阀体部18中限定的油入口室41提供压力P1。在发动机12中设有通常保持在控制压力P2的控制通道68。同样设在发动机12中的排放通道71与排放端口70连通，并且通向环境压力，可以称为“P0”。当排放端口70被打开时，中间室42达到压力P0。开口47处的压力也是环境压力P0。

参照图4，所示的电磁阀10处于打开位置。线圈22被激励以便朝向线圈22缩回衔铁28。第一提动阀芯54打开第一阀座56，以便从油入口室41向中间室42提供压力P1，并且排放提动阀芯60坐落在阀座62处以闭合排放端口70。

参照图2-4，阀体部18包括供应端口或开口63，其从供应通道64接纳加压的油，所述供应通道64与油入口室41和阀座56连通。当阀座56打开时，入口室41与中间室42连通。加压的油通过也称为控制端口的出口开口66提供到控制通道68中。

在操作中，阀10通常如图3所示是闭合的，通过激励线圈22使该阀10变换到如图4所示的打开位置。线圈22在被激励时减小在极靴24和衔铁28之间形成的气隙30。通过由线圈22产生的电磁通量使衔铁28朝极靴24移动。油入口室41通过泄放凹槽34与气隙30连通。

当处于图3所示的正常闭合位置时，提动阀芯54闭合阀座56，使得处于P1的油入口室41与处于P0的中间室42隔离。在油入口室41中的加压的油偏压提动阀芯54抵靠在阀座56上。假定衔铁28和活塞29的横截面大致为圆形，或者具有等同于圆的横截面积/横截面区域，则表面33的区域具有环形形状，并且是衔铁28的横截面积（在图2中由面积A表示）和活塞29的横截面积A1之间的差。由衔铁28的提动阀芯54与阀座56接触处的接触直径D2限定了面积A2（参见图2）。表面区域72是指图2中的横截面积A3，其由提动阀芯60与阀座62接触处的接触直径D3限定。尽管这里所描述的横截面区域被假定是圆形的，但是建立这些区域的部件可以具有其有效面积等于圆形的面积的任何形状。

作用在阀10上的力矢量可以限定如下：

Fm=螺线管16的磁力；

Fca=在去激励螺线管16之后在衔铁28上的导致闭合的力；

F1=A1*P1=在活塞29上的处于供应压力的流体的力；

F2=A2*P1=在衔铁28上的处于供应压力的流体的力；

F03=A2*P0=在激励螺线管16之前在控制室42中的力；

Fc3=A2*P1=在激励螺线管16期间在控制室42中的力；

Fs=弹簧45的力；

F4=A1*P0=在活塞29上的大气的力；

F5=在阀座62上的控制/供应力；以及

F6=在阀座62上的大气的力。

因此，用于移动阀10以打开阀座56和闭合阀座62的力的平衡方程如下：

Fm+F1-F2+F03-F4-Fs<0，

假定阀10包括任选的弹簧45，并且作用在与电磁阀10的磁力相同方向上的力被认为是正的。

以上方程重新写为：

Fm>-F1+F2-F03+F4+Fs，

以及

Fm>-（A1*P1）+（A2*P1）-（A2*P0）+（A1*P0）+Fs

假定P0（即大气压力）为零，则：

Fm>-（A1*P1）+（A2*P1）+Fs

将此与没有活塞29时要求的磁力相比较：

Fm>（A2*P1）+Fs

在这两种情况下，如果没有使用任选的弹簧，则Fs可以是零。

因此，通过保持两个直径D1和D2在尺寸上比较接近，使A1和A2几乎相等，并且打开阀座56所需的电磁阀10的要求的磁力显著减小。这使得可以使用更小的、因而成本更低的线圈22。

类似地，用于移动阀10以闭合阀座56和打开阀座62的力的平衡方程如下：

Fca+F1-F2+Fc3-F4-F5+F6-Fs<0，

假定阀10包括任选的弹簧45，并且作用在与闭合衔铁28的闭合力相同方向上的力被认为是正的。

以上方程重新写为：

Fca>-F1+F2-Fc3+F4+F5-F6+Fs，

以及

Fca>-（A1*P1）+（A2*P1）-（A2*P1）+（A1*P0）+（A3*P1）-（A3*P0）+Fs

假定P0（即大气压力）为零，则：

Fca>-（A1*P1）+（A3*P1）+Fs

将此与没有活塞29时要求的闭合力相比较：

Fca>F5+Fs；

Fca>（A3*P1）+Fs

在这两种情况下，如果没有使用任选的弹簧，则Fs可以是零。

因此，通过保持直径D3大于直径D1，使闭合力Fca足够大以闭合阀座56。随着直径D1和D3之间的差增加，在去激励线圈22时阀10的闭合速度也增加。任选的弹簧45也有助于增加闭合速度。

因此，P1作用于其上以便朝图3的第一（未激励）位置偏压衔铁28的有效压力面积仅是接触直径D2处的面积A2和活塞的横截面积A1之间的差。活塞29的直径D1小于接触直径D2，以便P1作用于其上的所述有效面积在图3中是向下的，其实际施加在表面33的一部分上。因此，添加活塞29减小了加压流体必须施加于其上以保持阀10处于闭合的未激励位置的有效面积，从而减小了必须被克服以便开始打开阀10的压差。还必须克服任选弹簧45的力，以便将阀10完全移动到激励位置。但是，弹簧45的力有助于保持所述阀处于图3的闭合位置，尤其是在阀10受到高的重力（G-forces）的情况下。在一个可选实施例中，作为弹簧45的替代，通过提供从中间室42或控制通道68到开口47的通路以便在暴露于开口47的活塞29的表面处保持控制压力P2，可以建立帮助保持闭合位置的偏压力。

当线圈22被激励时，极靴24和衔铁28之间的磁通朝极靴24拉动衔铁28，如图4中所示。衔铁28相对于极靴24的面对面的定向使衔铁28随着气隙30的减小受到指数级的更大的磁力。为了将衔铁28移动到图4的激励（第二）位置，线圈22的磁力必须克服将衔铁28朝图3的第一位置偏压的上述压差以及弹簧45的力。

衔铁28的移动导致提动阀芯54相对于阀座56打开，从而从油入口室41向中间室42提供压力P1。中间室42通常保持在压力P0，但是在提动阀芯54打开阀座56以及提动阀芯60闭合阀座62以关闭排放端口70时，增加到P1。在此实施例中，接触直径D3大于接触直径D2并且大于直径D1。在其它实施例中，根据所希望的阀10的功能，直径D2和D3的相对尺寸可以不同。压力从P2到P1的这种改变将供应给发动机气门系统的液压增加到P1。当提供给发动机气门系统的压力改变到P1时，可以通过掣子销、间隙调节器或其它受控装置（未示出）对选定的发动机气门解除触发，从而对发动机12的选定的气缸解除触发。

当线圈22随后被去激励时，由磁通产生的力被去除（即，朝极靴24拉动衔铁28的净力），导致净力Fca驱动衔铁28至图3的正常闭合的去激励位置。因此，衔铁28构造为使得在室42向排放端口70排放的情况下，净流体力（即，作用在A3减去A1的面积上的净向下力）以及任选的弹簧力Fs有助于闭合阀10，从而提供了从激励位置到去激励位置的相对快速的阀致动响应时间。

阀10具有空气清除和自清洁机构。特别地，衔铁28形成为具有旁路槽缝53，其也被称为旁路沟槽，以允许在阀10闭合时有限数量的油从室41绕过阀座56移动到室42。可选地，旁路槽缝可以设在体部18内的邻近阀座56处。槽缝53还允许灰尘颗粒与油一起从室41排出，从而用作阀10的“自清洁”机构。另外，从室41通过槽缝53清除空气，从而防止了当线圈22随后被激励时气垫抵抗阀10向图4的激励位置的运动。这使得能够从去激励位置稳定地转换到激励位置。

当发动机12停机从而在阀10内不提供流体压力并且线圈22被去激励时，假定阀10在发动机12内安装成使得衔铁28位于极靴24上方（即，相对于图3和4的视图倒置），则重力将导致衔铁28落到图4的激励位置（尽管线圈没有被激励）。因此，当发动机12被启动时，加压的油将来到供应通道64，并且随着油进入到室41和气隙30，将迫使它前面的任何空气离开供应室41、越过打开的阀座56到达控制室42，从而将衔铁28偏压到图3的闭合的去激励位置。在提动阀芯60没有就位时，空气从室42排出到排放端口70。

尽管已经详细描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员将会想到用于实现本发明的在所附权利要求范围内的各种替代设计和实施例。

Claims (12)

1.一种液力控制阀(10)，包括：

阀体部(18)；

能够选择性激励的线圈(22)；

邻近所述线圈定位的衔铁(28)，所述线圈能够被激励以产生将所述衔铁从第一位置移动到第二位置的磁力；

极靴(24)，所述极靴定位成在所述极靴和所述衔铁之间建立间隙(30)，并且具有在所述间隙处形成开口的凹腔(35)；

活塞(29)，所述活塞从所述衔铁延伸到所述极靴的凹腔内，并且与所述衔铁一起移动；

其中，所述阀体部、衔铁和活塞构造为：使得所述衔铁在所述第一位置被加压流体偏压至坐落在第一阀座上；以及

其中，移动所述衔铁离开所述第一阀座所需的磁力是所述活塞的面积(A1)和由所述衔铁在所述第一阀座处的接触限定的面积(A2)之间的差的函数；

阀杆(48)，所述阀杆从所述衔铁逆着所述活塞延伸并且能够与所述衔铁一起移动；

其中，所述衔铁和阀杆包括第一提动阀芯(54)和第二提动阀芯(60)；所述阀体部限定具有所述第一阀座(56)的供应室(41)，第二阀座(62)，以及在所述第一阀座和第二阀座之间的控制室(42)；在所述第一位置，所述第一提动阀芯构造为坐落在所述第一阀座处并且所述第二提动阀芯构造为与所述第二阀座分离，以便基本阻止加压流体越过所述第一阀座流动和从所述控制室越过所述第二阀座排出流体；在所述第二位置，所述第一提动阀芯构造为与所述第一阀座分离并且所述第二提动阀芯构造为坐落在所述第二阀座处，以便允许加压流体从所述供应室向所述控制室的流动和阻止从所述控制室向排放端口的流动。

2.根据权利要求1所述的液力控制阀，其特征在于，所述活塞和极靴构造为：使得在所述活塞和极靴之间形成有油封(39)。

3.根据权利要求1所述的液力控制阀，其特征在于，所述极靴限定与所述间隙处的开口相对的另一个开口(47)，以减缓抵抗所述活塞朝极靴运动的压力。

4.根据权利要求1所述的液力控制阀，其特征在于，还包括：

弹簧(45)，所述弹簧定位在所述极靴和活塞之间的凹腔内以向所述第一位置偏压所述衔铁。

5.根据权利要求1所述的液力控制阀，其特征在于，所述活塞具有第一直径(D1)；当处于所述第一位置时，所述第一提动阀芯接触所述第一阀座以建立第一接触直径(D2)；当处于所述第二位置时，所述第二提动阀芯接触所述第二阀座以建立第二接触直径(D3)；所述第一直径小于所述第一接触直径，并且所述第一接触直径小于所述第二接触直径。

6.根据权利要求1所述的液力控制阀，其特征在于，所述液力控制阀与发动机(12)组合；所述液力控制阀安装在所述发动机上，使得当所述发动机关闭并且所述线圈没有被激励时，所述衔铁落到所述第二位置，从而移动所述第一提动阀芯离开所述第一阀座以向所述控制室打开所述供应室，因此在所述发动机被重新启动时，当所述衔铁和阀杆移动到所述第一位置时，空气从所述供应室排出到所述控制室并且进一步排出到所述排放端口。

7.根据权利要求1所述的液力控制阀，其特征在于，所述阀体部和所述第一提动阀芯二者之一在所述第一阀座处形成有旁路沟槽(53)，从而当所述阀处于所述第一位置时，允许空气从所述供应室通过所述旁路沟槽流出到所述控制室。

8.一种液力控制阀，包括：

能够被激励的线圈(22)；衔铁(28)；极靴(24)；从所述衔铁延伸的活塞(29)；

阀体部(18)，所述阀体部限定第一阀座(56)，第二阀座(62)，供应端口(63)，控制端口(66)和排放端口(70)；

其中，所述衔铁包括第一提动阀芯(54)，当所述线圈没有被激励时所述第一提动阀芯坐落在所述第一阀座处并且基本阻止加压流体从所述供应端口越过所述第一阀座流到所述控制端口；所述衔铁被受到激励的线圈产生的磁力在所述阀体部内朝所述极靴移动，从而移动所述第一提动阀芯离开所述第一阀座以允许流体从所述供应端口流到所述控制端口；所述活塞构造为当所述衔铁移动时在所述极靴内滑动；所述阀构造为：使得移动所述第一提动阀芯离开所述第一阀座所需的磁力是所述活塞的直径(D1)和所述第一提动阀芯接触所述第一阀座处的第一接触直径(D2)之间的差的函数；以及

其中所述阀体部和所述第一提动阀芯二者之一在所述第一阀座处形成有旁路沟槽(53)，从而当所述阀处于其中所述线圈没有被激励的第一位置时，允许空气从所述供应端口通过所述旁路沟槽流出到所述控制端口。

9.根据权利要求8所述的液力控制阀，其特征在于，还包括：

阀杆(48)，所述阀杆与所述活塞相对地组装到所述衔铁上并且具有排放提动阀芯(60)，当所述线圈没有被激励时所述排放提动阀芯离开第二阀座以允许流体从所述控制端口流到所述排放端口，并且当所述线圈被激励时所述排放提动阀芯坐落在所述第二阀座处以阻止流体从所述控制端口流到所述排放端口。

10.根据权利要求9所述的液力控制阀，其特征在于，所述阀构造为：使得保持激励位置所需的电磁力是所述排放提动阀芯在第二阀座处的接触直径(D3)和所述活塞的直径(D1)之间的差的函数。

11.根据权利要求8所述的液力控制阀，其特征在于，还包括：

弹簧(45)，所述弹簧定位在所述极靴和活塞之间，以便在所述线圈没有被激励时偏压所述第一提动阀芯至坐落在所述第一阀座处。

12.一种液力控制阀，包括：

能够被激励的线圈(22)；衔铁(28)；极靴(24)；从所述衔铁延伸的活塞(29)；

阀体部(18)，所述阀体部限定第一阀座(56)，第二阀座(62)，供应端口(63)，控制端口(66)和排放端口(70)；

其中，所述衔铁包括第一提动阀芯(54)，当所述线圈没有被激励时所述第一提动阀芯坐落在所述第一阀座处并且基本阻止加压流体从所述供应端口越过所述第一阀座流到所述控制端口；所述衔铁被受到激励的线圈产生的磁力在所述阀体部内朝所述极靴移动，从而移动所述第一提动阀芯离开所述第一阀座以允许流体从所述供应端口流到所述控制端口；所述活塞构造为当所述衔铁移动时在所述极靴内滑动；所述阀构造为：使得移动所述第一提动阀芯离开所述第一阀座所需的力是所述活塞的直径(D1)和所述第一提动阀芯接触所述第一阀座处的直径(D2)之间的差的函数；

弹簧(45)，所述弹簧定位在所述极靴和活塞之间的凹腔内，以便在所述线圈没有被激励时偏压所述第一提动阀芯至坐落在所述第一阀座处；

阀杆(48)，所述阀杆与所述活塞相对地组装到所述衔铁上并且具有排放提动阀芯(60)，当所述线圈没有被激励时所述排放提动阀芯离开所述第二阀座以允许流体从所述控制端口流到所述排放端口，并且当所述线圈被激励时所述排放提动阀芯坐落在所述第二阀座处以阻止流体从所述控制端口流到所述排放端口；以及

其中，所述阀构造为：使得保持激励位置所需的力是所述排放提动阀芯在第二阀座处的接触直径(D3)和所述活塞的直径(D1)之间的差的函数。