CN104806399B - 端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀 - Google Patents
端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀 Download PDFInfo
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Abstract
端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀，包括伺服电机，伺服电机的输出轴和端面凸轮连接，端面凸轮底面为呈周期性变化的曲面并设有圆形滚动体轨道，端面凸轮下部和凸轮从动子配合，凸轮从动子上端圆柱台上开有球形凹槽，滚动体钢球嵌入到球形凹槽中，球阀与凸轮从动子下部刚性连接，伺服电机拖动端面凸轮高速旋转，使球阀周期性开启与关闭，实现燃油喷射功能，本发明采用了伺服电机与端面凸轮的组合，无需频繁地为伺服电机通电与断电，只需持续通电并调整电机的转速即可控制喷油规律，提高了喷油器控制阀的动态响应速度，实现高速开关功能；伺服电机无需大电流驱动，有效的减少了控制阀的发热。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机燃油喷射系统技术领域，具体涉及端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀。
背景技术
笨重、噪音大、喷黑烟，令许多人对柴油机的直观印象不佳，经过多年的研究和新技术应用，现代柴油机的现状已与往日不可同喻。现代柴油机一般采用电控喷射、共轨、涡轮增压中冷等技术，在重量、噪音、烟度方面已取得重大突破，达到了汽油机的水平。为了使负荷调节更加精确，产生了共轨技术。共轨技术是指高压油泵、压力传感器和电控单元组成的闭环系统，将喷射压力的产生和喷射过程彼此完全分开的一种供油方式，高压油泵把高压燃油输送到公共供油管，通过对公共供油管内的油压实现精确控制，可以大幅度减小柴油机供油压力随发动机转速的变化，因此也就减少了传统柴油机的缺陷。电控单元作用于喷油器电磁阀上的脉冲信号控制燃油的喷射过程。喷油量的大小取决于燃油轨中的油压和电磁阀开启时间的长短，及喷油嘴液体流动特性。共轨不但保持了燃油压力，还消除了压力波动，压力从200～2000bar弹性调节，最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。
高压共轨式燃油喷射系统是目前柴油机广泛采用的燃油喷射系统，它通过高压油泵将燃油输送到高压共轨管内，并将喷油器连接到共轨管上，利用安装在发动机上的电子控制单元控制喷油器上的高速开关阀动作，进而实现燃油按照一定规律喷射的功能。
传统的高速开关阀通常选用直线运动的电磁铁作为驱动元件控制动铁芯的吸合或分离，从而实现阀口的开启与闭合,其具体存在以下不足：
(1)为了实现高速开关的功能，需要为电磁铁螺线管频繁地通电与断电，使电磁铁的吸合力根据运动规律快速变化。
(2)由于动铁芯的运动惯性以及与电磁铁的反作用力的影响，使电磁阀的响应速度难以提高。
(3)为了获得较大的电磁吸合力，需要通入较高的电流，这也使得驱动阀芯运动的电磁螺线管发热严重，无法满足更高的频率要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀，实现喷油器控制阀的高速开关功能。
为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：
端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀，包括伺服电机1，伺服电机1固定在上阀体2上端，伺服电机1的输出轴深入到上阀体2内，伺服电机1的输出轴和端面凸轮5连接，端面凸轮5上部外圆安装有深沟球轴承3，深沟球轴承3的外圆紧贴上阀体2的内圆，端面凸轮5底面为呈周期性变化的曲面，曲面的轮廓为四个幅值频率相位均相等的余弦曲线，曲面上开有圆形滚动体轨道，端面凸轮5下部和凸轮从动子6配合，凸轮从动子6为盘形，其上端每90°间隔有一个圆柱台，柱台顶部开有球槽，滚动体钢球22下部嵌入到球槽中，上部被凸轮从动子6的下部连接的球阀弹簧10的弹力压在端面凸轮5的圆形滚动体轨道内，凸轮从动子6的外圆两侧、上阀体2内孔与凸轮从动子6外圆对应的位置上均开有键槽，防转平键23安装在该键槽中，球阀7与凸轮从动子6下部刚性连接，针阀上阀芯套筒9安装在球阀7的正下方，针阀上阀芯套筒9中心有一个与球阀阀座8直径相等的圆柱形凹槽，球阀阀座8嵌入到该凹槽中，针阀上阀芯套筒9外部套有密封圈12，密封圈12与上阀体2接触并构成密封，上阀体2插入到中阀体11中；
所述的中阀体11内部设有圆柱形空腔，针阀上阀芯13安装在该空腔内，针阀上阀芯13插入到针阀上阀芯套筒9中，但未顶到针阀上阀芯套筒9顶端，与针阀上阀芯套筒9顶端之间形成的空腔称为控制腔20，中阀体11两侧分别设有燃油入口18与燃油回油口19、中阀体11和下阀体17连接，燃油入口18通过中阀体11和下阀体17内部的导流孔直接连通至下阀体内腔21，针阀下阀芯14插入到下阀体17中，直接控制喷油器出油口的开启与闭合，针阀下阀芯14的上端插入到针阀下阀芯套筒15内部，针阀下阀芯套筒15上端被针阀弹簧16顶在中阀体11的下端，针阀上阀芯13与针阀下阀芯14在针阀下阀芯套筒15内部直接接触，针阀上阀芯13与针阀下阀芯14共同连接构成针阀阀芯。
所述的端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀的控制方法为：当电子控制单元还未向喷油器发出控制信号时，喷油器处于初始位置状态，此时球阀7落座在球阀阀座8上，滚动体钢球22位于端面凸轮5曲面上的最高点，球阀弹簧10的压缩量达到最大，中阀体11与上阀体2之间的流道处于关闭状态，此时控制腔20内部压力与共轨管内压力相同，因控制腔20内的燃油作用面积大于下阀体内腔21内的作用面积，针阀阀芯受向下方向的液压力大于向上方向的液压力，针阀阀芯整体被向下压，喷油器出油口处于关闭状态；伺服电机1得到控制信号并拖动端面凸轮5旋转，当滚动体钢球22位于端面凸轮5曲面上的最低点时，球阀开口达到最大，控制腔20内部压力降低并小于下阀体内腔21内的压力，针阀阀芯被抬起，喷油器出油口打开，实现燃油喷射功能；端面凸轮5继续转动，滚动体钢球22重新回到最高点，球阀7关闭，控制腔20内部压力回升，重新将针阀阀芯压到下阀体17下端，喷油口关闭，完成一次喷油过程，端面凸轮5每旋转90°喷油器完成一次喷油，旋转一周则喷油器完成四次喷油。
本发明的优点在于以下几个方面：
(1)无需为驱动元件频繁地通电与断电，只需为伺服电机1持续通电，同时调整伺服电机1的转速即可控制喷油器的喷油规律；
(2)由于端面凸轮的曲面轮廓是四条完整的余弦曲线，端面凸轮每旋转一周便可实现四次喷油过程，极大提高了喷油阀的动态响应速度，实现喷油器高速开关的目的；
(3)未采用电磁铁等驱动元件，因此无需为喷油阀提供大电流驱动，减小了喷油器的发热量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明喷油器处于初始位置状态，凸轮从动子6处于最低位置，针阀阀芯压在下阀体17底端时的示意图。
图3为本发明喷油器的凸轮从动子6处于最高位置，针阀阀芯被抬起的示意图。
图4为本发明喷油器的凸轮从动子6处于最低位置，针阀阀芯被抬起的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
如图1所示，端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀，包括伺服电机1，伺服电机1固定在上阀体2上端，并通过上阀体2上端的开口实现定位，伺服电机1的输出轴深入到上阀体2内，伺服电机1的输出轴上开有键槽并安装有平键4，伺服电机1通过键连接方式与端面凸轮5实现连接，伺服电机1高速旋转拖动端面凸轮5一同旋转，端面凸轮5上部外圆安装有深沟球轴承3，深沟球轴承3的外圆紧贴上阀体2的内圆，深沟球轴承3端面则依靠端面凸轮5的肩部实现定位，端面凸轮5的底面是一个呈周期性变化的曲面，曲面轮廓是四个幅值频率相位均相等的余弦曲线，曲面上开有圆形的滚动体轨道，滚动体钢球22在该轨道内滚动，端面凸轮5下部和凸轮从动子6配合，凸轮从动子6为盘形，其上端每间隔90°有一个圆柱台，圆柱台顶部开有球槽，滚动体钢球22下部嵌入到球槽内，上部被凸轮从动子6的下部连接的球阀弹簧10的弹力压在端面凸轮5的圆形滚动体轨道内，凸轮从动子6的外圆两侧、上阀体2内孔与凸轮从动子6外圆对应的位置上开有键槽，防转平键23安装在该键槽中，限制凸轮从动子6转动，端面凸轮5旋转时，滚动体钢球22在圆形滚动体轨道内滚动，在防转平键23的限制下，凸轮从动子6仅作上下直线运动，而不转动，球阀7与凸轮从动子6下部刚性连接，针阀上阀芯套筒9安装在球阀7的正下方，针阀上阀芯套筒9中心有一个与球阀阀座8直径相等的圆柱形凹槽，球阀阀座8嵌入到该凹槽中，针阀上阀芯套筒9外部套有密封圈12，密封圈12与上阀体2接触并构成密封，上阀体2插入到中阀体11中，通过中阀体11的内圆止口实现定位。
所述的中阀体11内部有圆柱形空腔，针阀上阀芯13安装在该空腔内，针阀上阀芯13插入到针阀上阀芯套筒9中，但未顶到针阀上阀芯套筒9顶端，与针阀上阀芯套筒9顶端之间形成的空腔称为控制腔20，中阀体11两侧分别设有燃油入口18与燃油回油口19，中阀体11和下阀体17连接，燃油入口18通过中阀体11和下阀体17内部的导流孔直接连通至下阀体内腔21，针阀下阀芯14插入到下阀体17中，直接控制喷油器出油口的开启与闭合，针阀下阀芯14的上端插入到针阀下阀芯套筒15内部，针阀下阀芯套筒15上端被针阀弹簧16顶在中阀体11的下端，针阀上阀芯13与针阀下阀芯14在针阀下阀芯套筒15内部直接接触，针阀上阀芯13与针阀下阀芯14共同连接构成针阀阀芯，喷油器工作时靠控制腔20内部压力的变化推动整个针阀阀芯做上下方向的直线运动。
本发明的控制方法为：当电子控制单元还未向喷油器发出控制信号时，喷油器处于初始位置状态，此时球阀7落座在球阀阀座8上，滚动体钢球22位于端面凸轮5曲面上的最高点，球阀弹簧10的压缩量达到最大，中阀体11与上阀体2之间的流道处于关闭状态，此时控制腔20内部压力与共轨管内压力相同，因控制腔20内的燃油作用面积大于下阀体内腔21内的作用面积，针阀阀芯受向下方向的液压力大于向上方向的液压力，针阀阀芯整体被向下压，喷油器出油口处于关闭状态，如图2所示；当伺服电机1得到控制信号并拖动端面凸轮5开始旋转时，滚动体钢球22在圆形滚动体轨道内滚动，同时由于球阀弹簧10的弹力作用，推动凸轮从动子6向上运动，球阀7离开阀座，阀口打开，控制腔20内部压力降低，当滚动体钢球22运动到端面凸轮5曲面上的最低点时，球阀开口达到最大，控制腔20内部压力小于下阀体内腔21内的压力，针阀阀芯被抬起，喷油器出油口打开，实现喷油功能，如图3所示；端面凸轮5继续转动，滚动体钢球22从曲面最低点开始继续运动，当回到最高点时，球阀7关闭，如图4所示；球阀关闭之后控制腔20内部压力回升，重新将针阀阀芯压到下阀体17下端，喷油口关闭，此时喷油器回到初始位置状态，完成一次喷油，端面凸轮5每旋转90°完成一次喷油，旋转一周则喷油器完成四次喷油。
Claims (2)
1.端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀，包括伺服电机(1)，其特征在于：伺服电机(1)固定在上阀体(2)上端，伺服电机(1)的输出轴深入到上阀体(2)内，伺服电机(1)的输出轴和端面凸轮(5)连接，端面凸轮(5)上部外圆安装有深沟球轴承(3)，深沟球轴承(3)的外圆紧贴上阀体(2)的内圆，端面凸轮(5)底面为呈周期性变化的曲面，曲面的轮廓为四个幅值频率相位均相等的余弦曲线，曲面上开有圆形的滚动体轨道，端面凸轮(5)下部和凸轮从动子(6)配合，凸轮从动子(6)为盘形，其上端每90°间隔有一个圆柱台，柱台顶部开有球槽，滚动体钢球(22)下部嵌入到球槽中，上部被凸轮从动子(6)的下部连接的球阀弹簧(10)的弹力压在端面凸轮(5)的圆形滚动体轨道内，凸轮从动子(6)的外圆两侧、上阀体(2)内孔与凸轮从动子(6)外圆对应的位置上均开有键槽，防转平键(23)安装在该键槽中，球阀(7)与凸轮从动子(6)下部刚性连接，针阀上阀芯套筒(9)安装在球阀(7)的正下方，针阀上阀芯套筒(9)中心有一个与球阀阀座(8)直径相等的圆柱形凹槽，球阀阀座(8)嵌入到凹槽中，针阀上阀芯套筒(9)外部套有密封圈(12)，密封圈(12)与上阀体(2)接触并构成密封，上阀体(2)插入到中阀体(11)中；
所述的中阀体(11)内部有圆柱形空腔，针阀上阀芯(13)安装在该空腔内，针阀上阀芯(13)插入到针阀上阀芯套筒(9)中，但未顶到针阀上阀芯套筒(9)顶端，与针阀上阀芯套筒(9)顶端之间 形成的空腔称为控制腔(20)，中阀体(11)两侧分别设有燃油入口(18)与燃油回油口(19)，中阀体(11)和下阀体(17)连接，燃油入口(18)通过中阀体(11)和下阀体(17)内部的导流孔直接连通至下阀体内腔(21)，针阀下阀芯(14)插入到下阀体(17)中，直接控制喷油器出油口的开启与闭合，针阀下阀芯(14)的上端插入到针阀下阀芯套筒(15)内部，针阀下阀芯套筒(15)上端被针阀弹簧(16)顶在中阀体(11)的下端，针阀上阀芯(13)与针阀下阀芯(14)在针阀下阀芯套筒(15)内部直接接触，针阀上阀芯(13)与针阀下阀芯(14)共同连接构成针阀阀芯。
2.根据权利要求1所述的端面凸轮旋转伺服电机直驱的高压共轨喷油器控制阀，其特征在于，控制方法为：当电子控制单元还未向喷油器发出控制信号时，喷油器处于初始位置状态，此时球阀(7)落座在球阀阀座(8)上，滚动体钢球(22)位于端面凸轮(5)曲面上的最高点，球阀弹簧(10)的压缩量达到最大，中阀体(11)与上阀体(2)之间的流道处于关闭状态，此时控制腔(20)内部压力与共轨管内压力相同，因控制腔(20)内的燃油作用面积大于下阀体内腔(21)内的作用面积，针阀阀芯受向下方向的液压力大于向上方向的液压力，针阀阀芯整体被向下压，喷油器出油口处于关闭状态；伺服电机(1)得到控制信号并拖动端面凸轮(5)旋转，当滚动体钢球(22)位于端面凸轮(5)曲面上的最低点时，球阀开口达到最大，控制腔(20)内部压力降低并小于下阀体内腔(21)内的压力，针阀阀芯被抬起，喷油器出油口打开，实现燃油喷射功能；端面凸轮(5) 继续转动，滚动体钢球(22)重新回到最高点，球阀(7)关闭，控制腔(20)内部压力回升，重新将针阀阀芯压到下阀体(17)下端，喷油口关闭，完成一次喷油过程，端面凸轮(5)每旋转90°喷油器完成一次喷油，旋转一周则喷油器完成四次喷油。
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