CN104763568B - 一种电磁式喷射阀以及用于操作电磁式喷射阀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电磁式喷射阀，包括多孔喷嘴、管状壳体、针阀体、运动组件和用于控制运动组件在打开位置和关闭位置之间轴向移动的电磁阀组件；所述电磁阀组件包括至少两组电磁阀，其特征在于：所述至少两组电磁阀的线圈并联电连接，可单独通电工作或相互组合通电工作。本发明能实现电磁式喷射阀喷射不同区间的喷射压力燃料的喷射性能，如0.3～15MPa、15～30MPa和30～45MPa三个区间的喷射压力，也能实现高喷射压力的喷射性能；同时，上述管状壳体具有一体式设置的第一铁芯和第二铁芯，上述的线圈总成构造成整体式结构，管状壳体与整体式的线圈总成构成两个产生不同电磁力的电磁阀，其结构紧凑，装配简单，易于加工实现。

Description

一种电磁式喷射阀以及用于操作电磁式喷射阀的方法

技术领域

本发明涉及一种汽车内燃机的燃料喷射系统使用的电磁式喷射阀，尤其适用于将燃料直接喷射到内燃机的燃烧室中。

背景技术

现有的电磁式喷射阀通常具有一个电磁阀组件以及可运动的运动组件，电磁阀组件通电后使得电磁阀组件和衔铁形成的电磁阀产生电磁力，电磁力克服弹簧力带动运动组件在开启位置和关闭位置之间轴向移动从而实现电磁式喷射阀的开启和关闭。市场上常见的这种用于火花点火发动机的电磁式喷射阀的喷射压力最高为15MPa。然而，随着排放法规越来越严格，对汽车尾气中未燃碳氢和氮氧化合物等的含量要求也更高。如果汽车发动机使用的喷射阀能够喷射15MPa以上甚至30MPa以上压力的燃料，喷射产生的雾化颗粒会更小，使得发动机内燃料与空气混合得更加均匀，喷射的燃料能够完全燃烧，最终减少排放污染物的生成。

为了实现较高的喷射压力，CN102472214A公开了一种流体喷射器以及用于操作流体喷射器的方法，该流体喷射器只有一个电磁阀，包括至少第一线圈和第二线圈，且操作经由施加到所述两个线圈中的至少一个电信号磁性地驱动铁芯。当操作两个线圈的两个电信号时，可形成两个线圈串联后产生的电感量，从而产生较大的电磁力，最终实现较高的喷射压力。但是，由于电磁材料的磁特性，随着电信号的增加，电感量增大，当电磁材料达到饱和磁感应强度时，电感量也达到最大值，不能再增大，此时电磁力也就增加到极限值，因而喷射压力只能达到如200bar的最大压力上限值，如果想要依靠单个电磁阀提高更高的喷射压力，则效果不会明显。

CN1776214B公开了一种带有柱塞电磁激励的燃料喷射器，该喷射器具有两个电磁体，即喷射器的管状壳体的外表面具有两个环形槽，其中每个环形槽中缠绕有电磁体的对应线圈。两个电磁体共同作用，通过产生叠加后的电磁力实现喷射器较高的喷射压力。该喷射器的电磁阀均采用了无骨架的自粘结线圈，该线圈使用覆盖有绝缘涂层的绝缘线圈线，并在绝缘涂层上涂覆具有自熔合特性的熔合接合层。当线圈温度升高时，该熔合接合层受温度的影响熔化，使得缠绕在环形槽内的各层线圈粘结在一起，当温度降低时，整个线圈冷凝成一定形状。然而，这种技术方案的缺点在于，无骨架的自粘结线圈工艺复杂、难以定位，其熔合接合层受温度影响较大，高温会影响线圈的绝缘性进而对电磁阀的可靠工作产生不良的影响。另外，该结构不能按照发动机的需求提供不同区间范围的喷射压力，当发动机处于低负荷区时，只需要低喷射压力的喷雾就可以实现缸内良好的燃烧，过高的喷射压力反而会增加整个发动机的研发成本；而当发动机处于高负荷区时，过小喷射压力的喷雾会产生缸内的异常燃烧，不能实现节油的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种能实现不同区间喷射压力的喷射性能的电磁式喷射阀以及用于操作电磁式喷射阀的方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种电磁式喷射阀，包括多孔喷嘴、管状壳体、针阀体、运动组件和用于控制运动组件在打开位置和关闭位置之间轴向移动的电磁阀组件；所述电磁阀组件包括至少两组电磁阀，其特征在于：所述至少两组电磁阀的线圈并联电连接，可单独通电工作或相互组合通电工作。

其进一步特征在于：所述管状壳体包括一体式设置的第一铁芯、第二铁芯、中间连接部分和下端固定部分；所述电磁阀组件包含第一电磁阀和第二电磁阀；第一线圈、第一铁芯、第一衔铁、导磁件和线圈罩构成电磁式喷射阀的第一电磁阀；第二线圈、第二铁芯、第二衔铁、导磁件和线圈罩构成电磁式喷射阀的第二电磁阀；其中第一线圈、第二线圈、导磁件和线圈罩组成整体式的线圈总成。

进一步的：所述的管状壳体中的第一铁芯的内径d1小于第二铁芯的内径d2，所述第一衔铁的外径D1小于第二衔铁的外径D2，使得第一铁芯与第一衔铁配合作用，第二铁芯与第二衔铁配合作用，所述第一线圈的绕制匝数要小于第二线圈的绕制匝数；第一电磁阀产生的电磁力F1小于第二电磁阀产生的电磁力F2。

所述的管状壳体的环形内表面和针阀体的环状内表面连接形成整个长度方向上延伸的燃料通道，管状壳体的环形内表面容纳所述的第一衔铁和第二衔铁。

所述的第一铁芯与第一衔铁之间的间隙δ1小于第二铁芯与第二衔铁之间的间隙δ2。

一种用于操作上述的电磁式喷射阀的方法，其特征在于：首先确定电磁式喷射阀内的燃料压力；其次根据燃料压力选择单个线圈或多个线圈相互并联组合工作，将电信号施加到所选择的分组。

所述电磁阀组件包括第一电磁阀和第二电磁阀，当电磁式喷射阀内的燃料压力等于或小于压力P1，则将电信号施加到第一线圈；当电磁式喷射阀内的燃料压力大于压力P1且小于压力P2，则将电信号施加到第二线圈；当电磁式喷射阀内的燃料压力等于或大于压力P2，则将电信号施加到并联组合的第一线圈和第二线圈。

本发明采用上述电磁式喷射阀以及用于操作电磁式喷射阀的方法后，能实现电磁式喷射阀喷射不同区间的喷射压力燃料的喷射性能，如0.3～15MPa、15～30MPa和30～45MPa三个区间的喷射压力，也能实现高喷射压力的喷射性能；同时，上述管状壳体具有一体式设置的第一铁芯和第二铁芯，上述的线圈总成构造成整体式结构，管状壳体与整体式的线圈总成构成两个产生不同电磁力的电磁阀，其结构紧凑，装配简单，易于加工实现。

附图说明

图1是本发明电磁式喷射阀的结构示意图。

图2是图1中圆圈区域（即Ⅰ区）的放大图。

图3是线圈总成的结构示意图。

图4是电磁式喷射阀的控制单元。

图5是操作电磁式喷射阀的控制流程图。

图6是电磁式喷射阀中的第一电磁阀作用时的磁路状态。

图7是电磁式喷射阀中的第二电磁阀作用时的磁路状态。

图8是电磁式喷射阀中的第一电磁阀和第二电磁阀同时作用时的磁路状态。

其中有：1、电磁式喷射阀；2、多孔喷嘴；3、管状壳体；31、第一铁芯；32、第二铁芯；33、中间连接部分；34、下端固定部分；35、壳体环状内表面；4、针阀体；41、针阀体环状内表面；5、运动组件；6、电磁阀组件；7、第一电磁阀；8、第二电磁阀； 9、第一线圈；10、第一衔铁；11、12、导磁件；13、线圈罩；14、第二线圈；15、第二衔铁；16、线圈总成；17、线圈骨架；18、针阀；19、轴线；20、电接插件；21、密封球头；22、阀座；23滤网；24、环形沟槽；25、环形垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于汽油内燃机的燃料喷射系统的电磁式喷射阀1。电磁式喷射阀1的下游端部安装在发动机缸盖上，燃料通过电磁式喷射阀1的下游端部的多孔喷嘴2直接喷入到汽缸的燃烧室内（未示出）。

如图1和图2所示，一种电磁式喷射阀1，包括多孔喷嘴2、管状壳体3、针阀体4、运动组件5和用于控制运动组件5在打开位置和关闭位置之间轴向移动的电磁阀组件6。运动组件5由针阀18和第一衔铁10、第二衔铁15通过焊接固定连接组成，运动组件5可在电磁式喷射阀的管状壳体3的环形内表面35沿轴线19方向移动。管状壳体3的下端固定部分34与针阀体4通过焊接固定连接在一起，使得管状壳体3的环形内表面35和针阀体4的环形内表面41形成整个长度方向上延伸的燃料通道。当通过电接插件20给电磁阀组件6通电时，施加电信号V，受电磁阀电磁力的作用，运动组件5沿轴线19方向向上提升，带动密封球头21从阀座22上抬起，电磁式喷射阀处于打开位置，燃料由电磁阀喷射阀的上游端口进入，经过滤网23，流经管状壳体3的内部燃料通道、第一衔铁10和第二衔铁15的流通通道和针阀体4的燃料通道，最后到达多孔喷嘴2，从多孔喷嘴2喷出。当切断电磁阀电信号V时，电磁力消失，运动组件5沿轴线19方向向下移动，带动针阀18上的密封球头21落座在阀座22上，使电磁式喷射阀1处于关闭位置，密封球头21和阀座22之间形成一个密封面，将燃料密封在燃料通道内。

电磁式喷射阀不工作时，第一铁芯31与第一衔铁10之间的间隙δ1小于第二铁芯32与第二衔铁15之间的间隙δ2，第一铁芯与第一衔铁之间的间隙δ作为整个运动组件的行程，决定了从多孔喷嘴2流出的喷油量。

管状壳体3包括一体式设置的第一铁芯31、第二铁芯32、中间连接部分33和下端固定部分34，管状壳体3中的第一铁芯31的内径d1与第二铁芯32的内径d2不同，第一铁芯31的内径d1小于第二铁芯32的内径d2，所述的运动组件5的第一衔铁10的外径D1与第二衔铁15的外径D2不同，第一衔铁10的外径D1小于第二衔铁15的外径D2，使得第一铁芯31可以与第一衔铁10配合作用，第二铁芯32可以与第二衔铁15配合作用。

第一线圈9和第二线圈14优选为有骨架17的线圈，第一线圈9和第二线圈14在结构组成上不同，优选地，如第一线圈9的绕制匝数要小于第二线圈14的绕制匝数。

如图3所示，第一线圈9和第二线圈14在轴向方向上彼此间隔，在径向方向上分别与所述的电磁式喷射阀的轴线19的距离不相等，不同结构的线圈绕制在线圈骨架17上与导磁件11、12以及线圈罩13组成整体式的线圈总成，独立安装在管状壳体3上。整体式的线圈总成有利于电磁式喷射阀的加工和装配，也方便产品的后期维护和线圈更换。

根据以上构造，由第一线圈9、第一铁芯31、第一衔铁10等构成的第一电磁阀7对运动组件5产生的电磁作用力与由第二线圈14、第二铁芯32、第二衔铁15等构成的第二电磁阀8对运动组件5产生的电磁作用力是不等值的，第一电磁阀7产生的电磁力要小于第二电磁阀8产生的电磁力。

两组线圈可单独通电工作，也可以并联组合通电工作。第一线圈9通电时，施加电信号V，第一电磁阀7工作，产生最大值为F1的电磁力，对应电磁式喷射阀可以喷射最大压力为P1的燃料。第二线圈14通电时，施加电信号V，第二电磁阀8工作，产生最大值为F2的电磁力，F2＞F1，对应电磁式喷射阀可以喷射最大压力为P2的燃料，P2＞P1。两组线圈并联组合通电时，施加电信号V，第一电磁阀7和第二电磁阀8同时工作，将第一电磁阀7和第二电磁阀8产生的电磁力进行叠加，可以达到最大值为F3的电磁力，对应电磁式喷射阀可以喷射最大压力为P3的燃料。相比串联而言，并联组合的整个线圈组件的电阻小，其消耗的能量也小，可以提供更大的电流，则在不改变电信号V值大小的情况下，第一电磁阀7可以产生大于F1的电磁力，第二电磁阀8可以产生大于F2的电磁力，从而整个喷射阀可以实现F3≥F1+F2的电磁力，对应电磁式喷射阀可以喷射最大压力P3≥P1+P2的燃料。另外，两组线圈并联组合联接，各线圈互不干扰，整个线圈组件不会因为个别线圈出现断路不能工作而造成整个线圈组件无法工作的情况。

管状壳体3的外周围在第一电磁阀7和第二电磁阀8的间隙处分别设置有环形沟槽24，环形沟槽24的径向深度应该尽可能的大，但不能影响薄壁件的结构强度。构造的环形沟槽可以改善电磁阀的电磁特性，减小磁场涡流损失，提高电磁阀响应特性。图6示出了电磁式喷射阀中的第一电磁阀7作用时的磁路状态，可以看出，磁路上的磁力线绕开了环形沟槽区域，都集中通过管状壳体3的中间连接部分33和衔铁10传输，避免了漏磁的产生，减小磁场涡流损失。

第二铁芯32与导磁件12之间设置有环形垫片25，选择奥氏体材料作为环形垫片25的材料。加入环形垫片25后，当第一电磁阀7或第二电磁阀8工作时，磁路中的磁力线可以绕开环形垫片25，从起到磁轭作用的导磁件12上传输，可以减少磁场涡流损失，改善电磁阀的磁特性，有利于电磁力的产生。

图4示出了具有开关元件SW1和SW2的控制单元ECU。控制单元优先为发动机控制单元，且可应用于执行操作电磁式喷射阀的方法。

如图4所示，连接器单元包括第一连接器N1、第二连接器N2和第三连接器N3。第一线圈9的一个触头与第一连接器N1电连接，第二线圈14的一个触头与第二连接器N2电连接，第一线圈9和第二线圈14的公共触头与第三连接器N3电连接。控制单元ECU经由开关元件SW1电连接到第一连接器N1，且还经由开关元件SW2电连接到第二连接器N2。控制单元ECU还可应用于经由第三连接器N3将电磁式喷射阀电连接到参考电势GND。

图5示出了操作电磁式喷射阀的控制流程图。具体步骤为：

1）电磁式喷射阀开始执行操作，即START。首先确定电磁式喷射阀1内的燃料压力P，例如汽油发动机应用的喷射压力为0.3至45MPa，将压力P与预定压力P1（例如15MPa）进行比较。根据发动机运行工况，如果压力P等于或小于压力P1（例如15MPa）时，则将控制单元ECU经由开关元件SW1电连接到第一连接器N1，即将电信号施加到第一线圈9。

电信号V优先为供应电压。此时，第一电磁阀7形成磁路，如图6所示。第一电磁阀7产生的向上的电磁力驱动第一衔铁10向上移动，带动整个运动组件5沿轴线19方向向上移动，带动密封球头21从阀座22上抬起，整个运动组件5继续向上运动直到第一衔铁10的上端面碰撞第一铁芯31的下端面为止，电磁式喷射阀1处于完全打开位置，燃料从多孔喷嘴2喷出。

2）根据发动机运行工况，如果需要燃料的喷射压力P大于压力P1（例如15MPa），同时压力P小于预定压力P2（例如30MPa），则将控制单元ECU经由开关元件SW2电连接到第二连接器N2，即将电信号施加到第二线圈14。

电信号V优先为供应电压。此时，第二电磁阀8形成磁路，如图7所示。第二电磁阀8产生的向上的电磁力驱动第二衔铁15向上移动，带动整个运动组件5沿轴线19方向向上移动，带动密封球头21从阀座22上抬起，整个运动组件5继续向上运动直到第一衔铁10的上端面碰撞第一铁芯31的下端面为止，电磁式喷射阀1处于完全打开位置，燃料从多孔喷嘴2喷出。

3）根据发动机运行工况，如果需要燃料的喷射压力P等于或大于预定压力P2（例如30MPa），如P在30MPa至45MPa之间，则将开关元件SW1电连接到第一连接器N1，且将开关元件SW2电连接到第二连接器N2，即通过控制单元ECU将电信号施加到并联组合的第一线圈9和第二线圈14。

电信号V优先为供应电压。此时，第一电磁阀7形成磁路，第二电磁阀8同时也形成磁路，如图8所示。第一电磁阀7产生的电磁力和第二电磁阀8产生的电磁力累加作用于运动组件5，驱动运动组件5沿轴线19方向向上移动，带动密封球头21从阀座22上抬起，整个运动组件5继续向上运动直到第一衔铁10的上端面碰撞第一铁芯31的下端面为止，电磁式喷射阀1处于完全打开位置，燃料从多孔喷嘴2喷出。

4）预定时间之后，若要停止发动机的运行，则要停止或限制电磁式喷射阀1喷射燃料，应单独或同时断开开关元件SW1与第一连接器N1的连接、开关元件SW2与第二连接器N2的连接。第一电磁阀7或第二电磁阀8产生的电磁力消失，运动组件5沿轴线19方向向下移动，带动密封球头21落座在阀座22上，使电磁式喷射阀1处于关闭位置。电磁式喷射阀1操作执行结束，即OVER。可选地，电磁式喷射阀1可以执行操作再次开始，以便执行下一次的燃料喷射。

电磁式喷射阀的喷射压力的大小与产生喷雾粒径的大小成正比。试验数据表明，当电磁式喷射阀的喷射压力为10MPa时，喷射产生的喷雾颗粒的索特平均直径SMD为9.5μm；当电磁式喷射阀的喷射压力为15MPa时，喷射产生的喷雾颗粒的索特平均直径SMD为8.3μm。因此，当电磁式喷射阀的喷射压力大于等于30MPa时，喷射产生的喷雾颗粒的索特平均直径SMD很有可能小于5μm。例如，当发动机处于冷启动时，如果电磁式喷射阀喷射高于30MPa喷射压力的燃料，其产生的喷雾颗粒非常小，可以与空气混合得更加均匀，从而提高燃烧效率，最终可以实现降低HC、颗粒排放以及油耗的目的。

Claims (6)

1.一种电磁式喷射阀（1），包括多孔喷嘴（2）、管状壳体（3）、针阀体（4）、运动组件（5）和用于控制运动组件（5）在打开位置和关闭位置之间轴向移动的电磁阀组件（6）；所述电磁阀组件（6）包括至少两组电磁阀，其特征在于：所述至少两组电磁阀的线圈并联电连接，可单独通电工作或相互组合通电工作；

所述管状壳体（3）包括一体式设置的第一铁芯（31）、第二铁芯（32）、中间连接部分（33）和下端固定部分（34）；所述电磁阀组件（6）包含第一电磁阀（7）和第二电磁阀（8）；第一线圈（9）、第一铁芯（31）、第一衔铁（10）、导磁件（11、12）和线圈罩（13）构成电磁式喷射阀的第一电磁阀（7）；第二线圈（14）、第二铁芯（32）、第二衔铁（15）、导磁件（12）和线圈罩（13）构成电磁式喷射阀的第二电磁阀（8）；其中第一线圈（9）、第二线圈（14）、导磁件（11、12）和线圈罩（13）组成整体式的线圈总成。

2.根据权利要求1所述的电磁式喷射阀，其特征在于：所述的管状壳体（3）中的第一铁芯（31）的内径d1小于第二铁芯（32）的内径d2，所述第一衔铁（10）的外径D1小于第二衔铁（15）的外径D2，使得第一铁芯（31）与第一衔铁（10）配合作用，第二铁芯（32）与第二衔铁（15）配合作用，所述第一线圈（9）的绕制匝数要小于第二线圈（14）的绕制匝数；第一电磁阀（7）产生的电磁力F1小于第二电磁阀（8）产生的电磁力F2。

3.根据权利要求1或2所述的电磁式喷射阀，其特征在于：所述的管状壳体（3）的环形内表面（35）和针阀体（4）的环状内表面（41）连接形成整个长度方向上延伸的燃料通道，管状壳体（3）的环形内表面（35）容纳所述的第一衔铁（10）和第二衔铁（15）。

4.根据权利要求1或2所述的电磁式喷射阀，其特征在于：所述的第一铁芯（31）与第一衔铁（10）之间的间隙δ1小于第二铁芯（32）与第二衔铁（15）之间的间隙δ2。

5.一种用于操作权利要求1至4中任一项所述的电磁式喷射阀的方法，其特征在于：首先确定电磁式喷射阀内的燃料压力；其次根据燃料压力选择单个线圈或多个线圈相互并联组合工作，将电信号施加到所选择的分组。

6.根据权利要求5所述的操作电磁式喷射阀的方法，其特征在于：所述电磁阀组件包括第一电磁阀（7）和第二电磁阀（8），当电磁式喷射阀内的燃料压力等于或小于压力P1，则将电信号施加到第一线圈（9）；当电磁式喷射阀内的燃料压力大于压力P1且小于压力P2，则将电信号施加到第二线圈（14）；当电磁式喷射阀内的燃料压力等于或大于压力P2，则将电信号施加到并联组合的第一线圈（9）和第二线圈（14）。