CN103174572B - 一种可以控制压力和流量的安全溢流阀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于高压共轨燃油喷射系统的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，主要由阀体、控制阀组件、调压弹簧和调压垫片等零件组成。调压弹簧和调压垫片用于调整安全溢流阀的开启压力。控制阀组件包括阀座、阀芯、阀片、阀帽和密封钢球等零件。阀芯外圆与阀座内的阀芯孔小间隙配合，并且在阀芯外圆上设置有至少一个倾斜的锥面，该锥面上小下大并与阀芯的中心轴线呈一4～5度夹角；所述锥面与所述阀芯孔的内孔面之间构成泄漏面，泄漏面的大小随着阀芯的升程而变化。本发明所述的安全溢流阀装置结构紧凑，可以同时控制高压油轨内的压力和流量，使现两者都达到平衡，从而让装配有高压共轨燃油喷射系统的柴油发动机在压力异常升高时，既可以安全泄压，又能让车辆可以跛行回家。

Description

一种可以控制压力和流量的安全溢流阀装置

技术领域

本发明涉及一种应用于电控高压共轨燃油喷射系统（以下简称共轨系统）中的高压油轨的安全溢流装置，特别涉及一种可以控制压力和流量的安全溢流阀装置。

背景技术

共轨系统，作为柴油发动机满足国三、国四或更高排放标准的最佳选择，由高压供油泵、高压油轨总成、喷油器、电子控制单元（以下简称ECU）和传感器等组成。在该系统中，高压油轨总成的主要功能是：高压燃油的蓄压容器；通过轨压传感器和ECU监测和控制高压油轨内的燃油压力，维持高压油轨内燃油压力的稳定；当高压油轨内的燃油压力异常升高时，可进行泄压而保证整个系统的安全性。

在共轨系统中，ECU通过监测高压油轨内的压力而实现闭环控制：当高压油轨内的燃油压力小于ECU设定的目标压力时，ECU自动调整驱动高压供油泵的驱动电流参数，以增大其供油量，从而达到提高高压油轨内燃油压力的目的。反之亦然。当一缸或多缸喷油器出现故障（如卡死或喷油异常）或其它机械故障时，闭环控制策略失效，高压油轨内的燃油压力会异常升高。过高的燃油压力会对共轨系统中的各种机械构件造成损坏，甚至会使高压油管爆裂，造成安全隐患。在高压油轨中安装安全溢流阀装置，则可以泄漏高压燃油。当装配有共轨系统发动机的车辆出现该故障时，一般会出现在作业过程或行驶途中。为了使故障车辆不至于停留在原地等待救援，必须让车辆可以缓慢行驶到附近的维修站进行维修（俗称跛行回家）。这就要求高压油轨内还能存在一定的压力，让发动机在非正常状态下依然可以工作。安装在高压油轨上的安全溢流阀除了泄漏异常高压的燃油外，又不能将高压油轨内燃油全部泄尽，还需要控制其泄漏量，让高压油轨内保存稳定压力的燃油。常规的限压阀，仅是一种开关阀，即，当需要控制的压力大于限压阀的开启压力时，限压阀打开进行泄压。泄压后的压力立即下降，限压阀又马上关闭。如此反复，限压阀需要控制的压力无法稳定在一定的范围内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有高压油轨所使用的限压阀所存在的问题而提供一种可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，在共轨系统中，当高压油轨内的燃油压力异常升高时，本发明所涉及的安全溢流阀装置，除了可以进行安全泄压外，还可以控制泄压时的流量，使泄漏量与高压供油泵的供油量维持平衡，在安全溢流阀开启的状态下，维持高压油轨内的设定压力，让故障车辆可以跛行回家。

本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，采用螺纹连接方式安装在高压油轨上，该安全溢流阀装置的未连接端连接油箱，所述安装溢流阀装置包括：

一阀体部件，该阀体部件为一内部为中空结构的柱状体，具有一与油箱油管连接的油管连接口和一供控制阀组件安装在控制阀组件安装口，油管连接口与控制阀组件安装口贯通；

一控制阀组件，所述控制阀组件包括：

一端安装在所述控制阀组件安装口内，另一端螺纹连接在所述高压油轨中的阀座，所述阀座中同轴设置有阀片安装腔、阀芯孔和回油孔，其中阀片安装腔通过阀芯孔与回油孔连通，阀片安装腔靠近所述油管连接口的一端，回油孔靠近高压油轨的一端；

一安装在所述阀片安装腔内的阀片；

安装在所述阀芯孔内的阀芯、阀帽和密封钢球，其中所述阀芯的一端与所述阀片接触，另一端与所述阀帽接触并通过所述阀帽将所述密封钢球压在所述回油孔的出口处；

所述安装溢流阀装置还包括一安装在阀体部件的中空结构内的调压弹簧，所述调压弹簧通过阀片、阀芯、阀帽对密封钢球钢球施加一作用力；其特征在于，所述阀芯为一圆柱体，并且在所述圆柱体的柱面上设置有至少一个倾斜的锥面，所述锥面上小下大并与阀芯的中心轴线呈一4～5度夹角；所述锥面与所述阀芯孔的内孔面之间构成泄漏面，所述泄漏面的大小随着阀芯的升程而变化。

在本发明的一个优选实施例中，所述锥面的高度小于阀芯的高度。

在本发明的一个优选实施例中，所述锥面为三个，均布在所述圆柱体的柱面上。

在本发明的一个优选实施例中，所述阀帽的底端面为内凹形状，与所述钢球配合，所述阀帽的顶端面为平面，与阀芯的下端面接触。

在本发明的一个优选实施例中，所述回油孔的入口处为一密封锥面，所述密封锥面经过磨削加工。

在本发明的一个优选实施例中，所述阀芯的柱面与所述阀芯孔之间的间隙值为微米级。

在本发明的一个优选实施例中，所述阀片在与阀芯接触的外围设置有至少一个圆孔。

在本发明的一个优选实施例中，所述圆孔位置对应于阀芯上的锥面位置。

在本发明的一个优选实施例中，所述圆孔数量为三个，均布在阀片与阀芯接触的外围。

在本发明的一个优选实施例中，所述阀座的外环面与阀体部件的控制阀组件安装口的内环面之间采用至少三点铆压方式装配在一起。

在本发明的一个优选实施例中，所述阀座的外环面与阀体部件的控制阀组件安装口的内环面之间采用整圈铆压方式装配在一起。

在本发明的一个优选实施例中，所述安全溢流阀装置上设置有一与高压油轨接触的接触面，所述接触面为一与安全溢流阀装置的中心轴线垂直的密封环面，所述密封环面的硬度大于高压油轨中与所述密封环面接触的接触面硬度；在一定的拧紧力矩作用下，所述高压油轨中与所述密封环面接触的接触面发生塑性变形，使得所述的密封环面均匀压入所述密封环面接触的接触面中，形成一道密封痕迹。

所述密封环面的宽度为0.2～0.4mm。

在本发明的一个优选实施例中，所述密封环面的内侧具有一锥孔，外侧具有一环锥面，所述锥孔的内孔面与所述密封环面成一角度为60度夹角，所述环锥面与所述密封环面之间形成一15度夹角。

在本发明的一个优选实施例中，所述安装溢流阀装置还包括一安装在阀体部件的中空结构内的调压垫片，所述调压弹簧的上端与所述调压垫片接触。

在本发明的一个优选实施例中，所述阀芯的顶面为球形圆弧。

由于采用了如上的技术方案，本发明调压弹簧和调压垫片用于调整安全溢流阀的开启压力。

本发明的密封钢球采用标准件，其精度等级为G10，以保证其几何公差。与密封钢球相接触的阀座密封锥面要进行磨削加工，以保证其锥角、圆度和表面粗糙度。如此，可保证密封钢球与锥面接触点的面积不会产生很大的变差，而导致开启压力变化范围大。

本发明的阀帽一面为凹孤形状，与密封钢球相配合，另一面为平面，与阀芯下端面相接触。这种设计方法，可保证密封钢球与锥面自动定位，当控制阀多次开启时，密封钢球每次落座都在同一密封位置。

本发明的阀芯外圆与阀阀芯孔小间隙配合，间隙值大小级为微米，使得阀芯在阀座中运动时平稳，从而保证泄漏量稳定一致。阀芯外圆上加工有三个锥面，锥面与阀芯孔构成泄漏面积。泄漏面积的大小随阀芯的升程大小而变化，从而可以调整控制阀的泄漏量。

阀芯的顶部为球形圆孤，这种结构使得调压弹簧的压力总是作用在阀芯的中心轴上，以防阀芯在落座或运动过程中产生侧向分力而导致其工作时的不稳定性。

本发明将阀座与高压油轨装配的密封端面被设计成带一定锥度的密封环带。这样，当安全溢流阀与高压油轨装配时，在一定拧紧力矩下，被淬硬的密封环带与高压油轨安装面产生一定的塑性变形，从而达到安全溢流阀与高压油轨之间密封效果。

本发明所涉及的安全溢流阀装置，除了可以进行安全泄压外，还可以控制泄压时的流量，使泄漏量与高压供油泵的供油量维持平衡，在安全溢流阀开启的状态下，维持高压油轨内的设定压力，让故障车辆可以跛行回家。

由于采用了如上的技术方案，本发明的安全溢流阀装置具备以下优点：

1.安全溢流阀与高压油轨之间的密封性好；

2.安全溢流阀的开启压力稳定性和可重复性好；

3.在调节高压泄压时，可以流量调节，同时维持压力和流量稳定；

4.结构紧凑，稳定可靠。

附图说明

图1为本发明安全溢流阀装置与共轨系统装配示意图。

图2为图1的I处放大示意图。

图3为本发明安全溢流阀装置工作过程第一状态示意图。

图4为本发明安全溢流阀装置工作过程第二状态示意图。

图5为本发明安全溢流阀装置阀芯立体结构示意图。

图6为本发明安全溢流阀装置阀芯的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为本发明安全溢流阀装置溢流面积变化曲线示意图。

图9为本发明安全溢流阀装置溢流流量变化曲线示意图。

图10为本发明安全溢流阀装置阀芯受力变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1和图2，图中给出的高压油轨100具有三个口，其中一个口110接喷油器，另一个口120接供油泵，第三个口130用以安装安全溢流阀装置200。三个口110、120、130联通。

正常工作情况下，来自供油泵的燃油通过口120进入高压油轨100内，在ECU的控制下，由口110以一定的喷射方式进入到喷油器。此时，安全溢流阀200处于关闭状态。高压油轨100内燃油压力异常时，当升高的压力大于安全溢流阀200的开启压力，安全溢流阀200打开。泄漏的燃油通过安全溢流阀200回流到油箱。

安全溢流阀装置200与高压油轨100通过螺纹连接方式安装在口130中。安全溢流阀装置200上的阀座230与高压油轨100的接触面150所接触的部位被设计成一种密封环带231。密封环带231的宽度L在0.2～0.4mm之间。经过热处理后的阀座230的密封环带231的硬度远大于高压油轨100的接触面150的硬度。

密封环带231的内侧为一内侧具有一锥孔232，外侧具有一环锥面233，锥孔232的内孔面232a与密封环面231成一角度为60度夹角，环锥面233与密封环面231之间形成一15度夹角。这样在一定的拧紧力矩力作用下，阀座230的密封环带231与高压油轨100的接触面150发生塑性变形，在高压油轨100的接触面150上压入均匀的一圈密封痕迹，从而达到高压下的密封效果。

参见图3，安全溢流阀装置200由阀体210、控制阀组件A、调压弹簧280和调压垫片290等零件组成。

控制阀组件A包括阀座230、阀芯220、阀片240、阀帽250和密封钢球260等零件。阀体210内部具有一与油箱油管连接的油管连接口211和一供控制阀组件A安装在控制阀组件安装口212，油管连接口211与控制阀组件安装口212贯通，并且在油管连接口211与控制阀组件安装口212之间还设置有一段用以限制调压弹簧280的小孔径段213和一容纳调压弹簧280和调压垫片290的弹簧安装孔214，其中小孔径段213位于油管连接口211与弹簧安装孔214之间。

调压弹簧280和调压垫片290安装在弹簧安装孔214内，其中调压垫片290受小孔径段213轴向限制，调压弹簧280的顶端与调压垫片290接触，这样调压弹簧280和调压垫片290用于调整安全溢流阀的开启压力。阀体210上设置有一段外螺纹215，以便于与高压油轨100连接。

阀座230内同轴设置有阀片安装腔234、阀芯孔235和回油孔236，其中阀片安装腔234通过阀芯孔235与回油孔236连通，阀片安装腔234靠近油管连接口211的一端，回油孔236靠近高压油轨100的一端并与锥孔232连通。

阀片240设置在阀片安装腔234内，阀芯220、阀帽250和密封钢球260安装在阀芯孔235内，阀片240的上表面与调压弹簧280接触，阀芯220的上端与阀片240接触，下端与阀帽250接触并通过阀帽250将密封钢球260压在回油孔236的出口处；

阀芯220外圆与阀座230的阀芯孔235小间隙配合。间隙值大小级为微米，使得阀芯220在阀座230中运动时平稳，从而保证泄漏量稳定一致。阀片240在与阀芯220接触区域外分布有三个圆孔241，可使泄漏的燃油从中流出。控制阀组件A中的阀座230的外环面与阀体210的控制阀组件安装口212的内环面之间可通过三点、多点或周圈铆压方式在装配连接在一起，从而整个安全溢流阀装置成为一个整体。

阀座230的回油孔236的出口处为一密封锥面236a，该密封锥面236a经过磨削加工。

参见图5至图7，阀芯220为一圆柱体，在圆柱体的柱面上均布有三个倾斜的锥面221，三个锥面221与阀芯孔235的内孔面之间构成泄漏面，泄漏面的大小随着阀芯220的升程而变化。锥面221上小下大并与阀芯的中心轴线呈一4～5度夹角A，锥面221的高度小于阀芯220的高度。锥面221的位置与阀片240上的圆孔241位置对应。

阀芯220顶部是一个球状弧形。这种结构使得调压弹簧280的压力总是作用在阀芯220的中心轴线222上，以防阀芯220在落座或运动过程中产生侧向分力而导致其工作时的不稳定性。

阀芯220的三个锥面221与阀芯孔235形成空隙223部分的面积（S1+S2+S3）与阀芯220在阀座230的阀芯孔235内运动的升程成比例。两者之间变化曲线如图8。调整行程的大小即可以控制流通面积的大小。

继续参见图3和图4，阀帽250一面为凹孤形状，与密封钢球260相配合，另一面为平面，与阀芯220下端面相接触。这种设计方法，可保证密封钢球260与密封锥面236a自动定位，当控制阀多次开启时，密封钢球260每次落座都在同一密封位置。

安全溢流阀装置的开启和关闭的压力可通过公式计算，如下：

$P_0\×\frac{1}{4}\×\mathrm{\π}\×d^2=k\×y_0$

P₀=4×k×y₀/π×d²

式中：

P₀：安全溢流阀开启临界压力；

d：密封钢球260与密封锥面236a接触处的直径；

k：调压弹簧280刚度；

y₀：调压弹簧280的预紧量，可通过调压垫片290进行调整；

当高压油轨100内的压力P大于P₀时，作用在密封钢球260上力大于调压弹簧280预压力，密封钢球260开启。反之，当高压油轨100内的压力P小于P₀时，作用在密封钢球260上力小于调压弹簧280预压力，密封钢球260在调压弹簧280预压力的作用下贴合在阀座230的回油孔236的出口处的密封锥面236a上。

参见图4，当密封钢球260开启后，阀座230的阀芯孔235内充满燃油，燃油压力与高压油轨100内的压力相等。但承受压力作用的面积加大，为阀芯220与阀座230的阀芯孔235配合处的橫截面积。作用在阀芯220上的燃油压力大于调压弹簧280作用在阀芯220上缓慢增加的压力。这样，阀芯220将继续往上抬起。当阀芯220的柱面上的三个锥面221位置超过阀座230的上平面237时，燃油从阀芯220圆周上的三个锥面221与阀座230的阀芯孔235之间形成的空隙223中进行泄油。空隙223面积的大小与阀芯220升程大小成比例，即，阀芯220升程越大，空隙223面积越大，相应地，从空隙223中泄漏出去的燃油流量也就越多。当阀芯220上升的行程使阀片240的上平面与阀体210的小孔径段213的下平面相接触时，阀芯220停止运动。

通过计算和调整阀芯220行程的大小，使得作用在阀芯220上的燃油压力等于或大于调压弹簧280作用在阀芯220上的力，从而，阀芯220可以稳定在该位置。同时，阀芯220行程的大小，还需要让空隙223面积的大小在适合的数值，使得通过空隙223面积的泄油流量的大小与供油泵提供的燃油量的多少相匹配。否则，如果泄油流量太大，当大于供油泵提供的燃油量时，阀座230内的阀芯孔235内的燃油压力则会下降。这样，作用在阀芯220上的燃油压力变小，当小于调压弹簧280的作用力时，阀芯220下行。

当阀芯220圆周上的三个锥面221位置低于阀座230的上平面237时，三个空隙223面积不复存在，泄漏停止。阀座230内的阀芯孔235内的压力迅速上升，作用在阀芯220上燃油压力又变大，阀芯220上升。如此反复，从而导致高压油轨内的压力处于剧烈波动状态；如果泄油流量太小，阀座230内的阀芯孔235内的燃油压力会变得很大。当阀芯220行程的大小，既可以维特泄油流量大小与供油泵提供的燃油量的多少相匹配，又能使作用在阀芯220上燃油压力和调压弹簧280的作用力相平衡时，此时，高压油轨100内的燃油压力就是共轨系统所需要的具有跛行回家功能的压力。

如前所述，阀芯220行程的大小，既可以决定泄油流量的大小与供油泵提供的燃油量的多少是否相匹配，还能确定作用在阀芯220上燃油压力和调压弹簧280的作用力是否平衡。在图9中，曲线C1为：当高压油轨内压力异常升高而导致安全溢流阀开启时，ECU根据控制策略自动将供油泵的供油量调整到最大时的流量。曲线C2为燃油从阀芯220圆周上的三个锥面223与阀座230的阀芯孔235之间形成空隙223部分面积所产生的泄漏量随着阀芯220升程变化而变化的流量曲线。当阀芯220的行程等于H1时，供油泵的供油量与燃油泄漏量相等，此时两者处于平衡状态。在图10中，C3为燃油压力作用在阀芯220上的力随阀芯220行程变化而变化的曲线。C4为调压弹簧280作用在阀芯220上的力随阀芯220行程变化而变化的曲线。当阀芯220行程为H2时，作用力达到平衡。通过计算和试验来调整H1和H2的大小，从而使泄油流量与供油泵提供的燃油量、作用在阀芯上燃油压力和调压弹簧的作用力都达到平衡。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围有所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，采用螺纹连接方式安装在高压油轨上，该安全溢流阀装置的未连接端连接油箱，所述安全溢流阀装置包括：

一阀体部件，该阀体部件为一内部为中空结构的柱状体，具有一与油箱油管连接的油管连接口和一供控制阀组件安装在控制阀组件安装口，油管连接口与控制阀组件安装口贯通；

一控制阀组件，所述控制阀组件包括：

一端安装在所述控制阀组件安装口内，另一端螺纹连接在所述高压油轨中的阀座，所述阀座中同轴设置有阀片安装腔、阀芯孔和回油孔，其中阀片安装腔通过阀芯孔与回油孔连通，阀片安装腔靠近所述油管连接口的一端，回油孔靠近高压油轨的一端；

一安装在所述阀片安装腔内的阀片；

安装在所述阀芯孔内的阀芯、阀帽和密封钢球，其中所述阀芯的一端与所述阀片接触，另一端与所述阀帽接触并通过所述阀帽将所述密封钢球压在所述回油孔的出口处；

所述安全溢流阀装置还包括一安装在阀体部件的中空结构内的调压弹簧，所述调压弹簧通过阀片、阀芯、阀帽对密封钢球施加一作用力；其特征在于，

所述阀芯为一圆柱体，并且在所述圆柱体的柱面上设置有至少一个倾斜的锥面，所述锥面上小下大并与阀芯的中心轴线呈一4～5度夹角；所述锥面与所述阀芯孔的内孔面之间构成泄漏面，所述泄漏面的大小随着阀芯的升程而变化；

所述阀帽的底端面为内凹形状，与所述钢球配合，所述阀帽的顶端面为平面，与阀芯的下端面接触；

所述阀芯的柱面与所述阀芯孔之间的间隙值为微米级；

所述阀芯的顶面为球形圆弧；

所述回油孔的入口处为一密封锥面，所述密封锥面经过磨削加工；

所述安全溢流阀装置上设置有一与高压油轨接触的接触面，所述接触面为一与安全溢流阀装置的中心轴线垂直的密封环面，所述密封环面的硬度大 于高压油轨中与所述密封环面接触的接触面硬度；在一定的拧紧力矩作用下，所述高压油轨中与所述密封环面接触的接触面发生塑性变形，使得所述的密封环面均匀压入所述密封环面接触的接触面中，形成一道密封痕迹；

所述密封环面的宽度为0.2～0.4mm；

所述密封环面的内侧具有一锥孔，外侧具有一环锥面，所述锥孔的内孔面与所述密封环面成一角度为60度夹角，所述环锥面与所述密封环面之间形成一15度夹角。

2.如权利要求1所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述锥面的高度小于阀芯的高度。

3.如权利要求1或2所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述锥面为三个，均布在所述圆柱体的柱面上。

4.如权利要求1所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述阀片在与阀芯接触的外围设置有至少一个圆孔。

5.如权利要求4所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述圆孔位置对应于阀芯上的锥面位置。

6.如权利要求5所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述圆孔数量为三个，均布在阀片与阀芯接触的外围。

7.如权利要求1所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述阀座的外环面与阀体部件的控制阀组件安装口的内环面之间采用至少三点铆压方式装配在一起。

8.如权利要求1所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述阀座的外环面与阀体部件的控制阀组件安装口的内环面之间采用整圈铆压方式装配在一起。

9.如权利要求1所述的可以控制压力和流量的安全溢流阀装置，其特征在于，所述安全溢流阀装置还包括一安装在阀体部件的中空结构内的调压垫片，所述调压弹簧的上端与所述调压垫片接触。