CN105781797B - 电磁与压电组合式燃气喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁与压电组合式燃气喷射装置。采用双针阀喷嘴喷气满足发动机不同工况下的喷气要求，采用电磁阀和压电控制阀分别控制两个喷嘴的燃气喷射过程，电磁阀或压电控制阀单独工作的时候，只有一个喷嘴喷气，满足发动机低负荷对小流量喷气的控制精度要求；电磁阀和压电控制阀同时工作的时候，两个喷嘴同时喷气，满足发动机高负荷对喷气量及喷气稳定性的需求；在两个针阀腔上方，针阀和针阀座之间均设计有密封环带，通过油道引入部分控制油到密封环带密封燃气，能有效地防止燃气泄漏，同时控制腔内的控制油和针阀处的密封油采用同一种油，可有效防止控制腔和密封环带的燃油静态泄漏。

Description

电磁与压电组合式燃气喷射装置

技术领域

本发明涉及的是一种双燃料发动机燃气喷射装置，具体地说是一种组合式电磁-压电燃气喷射装置。

背景技术

发动机的发展面临着能源危机和环境污染问题的双重压力，采用替代燃料是同时解决能源问题和环境污染问题的有效手段。天然气、石油气等以其资源丰富、价格低廉、燃烧清洁、热值大等优点，成为目前内燃机主要代用燃料。

目前的缸内直喷燃气喷射系统，主要通过内部集成的高速电磁阀控制针阀的运动从而实现燃气喷射阀的开启与关闭，可以对燃气喷射定时、喷气量进行控制，具有良好的节能减排效果，但其存在一些问题：其一,发动机单缸功率覆盖范围大，仅采用单喷嘴的喷气装置匹配发动机功率有限，不能满足发动机在不同工况下的功率及系列化发动机功率需求；其二，单个高速电磁阀只有开和关两种工作状态，无法完成燃气喷射的多模式控制；其三，电磁阀控制受磁滞回路和电磁线圈电感的影响，响应速度有限；压电控制阀控制精度高、响应快速；其四，随着针阀的运动，燃气沿针阀偶件间隙向上泄漏，泄漏燃气进入控制腔导致燃气喷射压力和喷射速率降低，严重影响喷气装置工作稳定性。

发明内容

本发明目的在于提供一种燃气喷射量精确可控，喷射规律灵活可变，可实现多种工作模式，满足发动机在不同工况下的功率及系列化发动机功率需求的电磁与压电组合式燃气喷射装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括喷射装置体、针阀、活塞、电磁阀和压电控制阀，两个针阀通过针阀底座和喷嘴套安装在喷射装置体下部，每个针阀与针阀底座之间形成针阀燃气腔，两个活塞设置在活塞套中，活塞套安装在喷射装置体中且两个活塞的下腔分别与一个针阀相对，压电控制阀和电磁阀安装在压电控制阀套中，压电控制阀套安装在喷射装置体上部且在压电控制阀套与活塞套之间设置控制阀弹簧座，活塞套上端通过喷射装置上端盖与喷射装置体之间固定，活塞套上开有燃气入口及中心气道，中心气道在喷射装置体和针阀底座中分成两路气道，两路气道分别连通两个针阀燃气腔，控制油从喷射装置体上的控制油入口引入后由两路油道分别连通两个活塞的下腔与上腔，一个活塞的上腔与电磁阀阀腔连通，另一个活塞的上腔与压电控制阀阀腔连通，压电控制阀和电磁阀均设置低压泄油口。

本发明还可以包括：

1、每个针阀与针阀底座之间形成针阀密封油环带，两路油道分别与一个针阀密封油环带连通。

2、电磁阀的低压泄油口位于电磁阀体上部。

本发明提供的是一种能够匹配宽功率范围发动机，无燃气泄漏且控制油无静态泄漏的组合式燃气喷射装置，两个喷嘴喷气过程分别采用压电控制阀和电磁阀控制，燃气喷射量精确可控，喷射规律灵活可变，可实现多种工作模式，满足发动机在不同工况下的功率及系列化发动机功率需求。

本发明的组合式电磁-压电燃气喷射装置主要由电磁-压电控制部分1、双活塞部分3、双针阀喷嘴部分4、喷射装置体5和喷射装置上端盖8组成。喷射装置体5上有第一低压泄油口2、控制油入口6、第二低压泄油口7、燃气入口9等。电磁-压电控制部分1主要包括电磁阀10、压电控制阀11、压电控制阀套12等，电磁阀10和压电控制阀11均安装在压电控制阀套12内。电磁阀10主要包括电磁体13、电磁铁14、线圈15、衔铁16、电磁阀阀杆19、阀杆密封底座22、电磁阀弹簧座23、电磁阀弹簧24、止动环26等。电磁阀阀杆19上设计有高压油环带21，电磁阀10未通电时，电磁阀阀杆29在电磁阀弹簧24的作用下压在阀杆密封底座22上，关闭高压油环带21。压电控制阀11主要包括压电元件27、弹性垫片28、控制阀杆29、控制阀座30、控制阀弹簧31、控制阀弹簧座32、密封圈35等。控制阀杆29上设计有低压油环带34，压电控制阀11未通电时，控制阀杆29下端卡在控制阀弹簧31上，在控制阀弹簧31作用下压在控制阀座30上，关闭低压油环带34。双活塞部分3主要包括第一活塞控制腔36、第一活塞38、第一针阀控制腔41、第二针阀控制腔42、活塞套43、第二活塞44、第二活塞控制腔47。活塞套43上设计有环形油槽46、油道45、油道37和中心油道39。从控制油入口6流入的高压控制油流经环形油槽46被分成两路，一路流入油道37，再流入第一活塞控制腔36和第一针阀控制腔41；另一路流入油道45，再流入第二活塞控制腔47和第二针阀控制腔42。双针阀喷嘴部分4主要包括喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ、针阀底座56、喷嘴套59等。喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ共用一个针阀底座56，喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ结构和安装方式均相同，在喷嘴套59内对称分布。喷嘴Ⅰ由第一针阀弹簧座48、第一针阀弹簧49、第一针阀50、第一针阀密封油环带51、第一针阀燃气腔53、第一喷孔54组成。第一针阀50上设计有圆环形台阶，在圆环形台阶下方，第一针阀50和喷射装置体5之间形成第一针阀控制腔41。第一针阀50和针阀底座56之间形成第一针阀燃气腔53，在第一针阀燃气腔53上方，第一针阀50和针阀底座56之间设计有第一针阀密封油环带51，通过油道引入部分控制油到第一针阀密封油环带51密封燃气。燃气从喷射装置体5上的燃气入口9进入中心气道39，在圆形气槽40处分成两路，一路由气道52进入第一针阀燃气腔53，另一路由气道57进入第二针阀燃气腔56。

本发明的有益效果：

本发明的组合式电磁-压电燃气喷射装置采用双针阀喷嘴喷气满足发动机不同工况下的喷气要求，节省空间并简化了发动机结构，由一个电磁阀和一个压电控制阀分别控制两个喷嘴的燃气喷射过程，兼顾了喷气装置的控制精度和成本问题。仅电磁阀或仅压电控制阀工作的时候，只有一个喷嘴喷气，满足发动机低负荷对小流量喷气的控制精度要求，压电元件控制的针阀最大升程可调，可以满足系统喷射规律可变性要求；电磁阀和压电控制阀同时工作的时候，两个喷嘴同时喷气，满足发动机高负荷对喷气量及喷气稳定性的需求；电磁阀和压电控制阀先后依次工作的时候，可实现两个喷嘴顺序喷气，实现先缓后急的喷气规律，喷气装置可在多模式下工作，喷气规律灵活，满足发动机在不同工况下的功率及系列化发动机功率需求。本装置控制油泄油油路流经电磁阀体上部，通过泄油循环带走热量以降低电磁阀部分温度，保证了电磁阀工作的可靠性和稳定性。两个针阀和针阀座之间均设计有密封油环带，引入部分控制油作为密封油密封燃气，能有效地防止燃气泄漏，同时控制腔内的控制油和针阀处的密封油采用同一种油，油压相等，能有效保证控制油、密封油无静态泄漏。

附图说明

图1(a)为本发明组合式电磁-压电燃气喷射装置的整体结构示意图，图1(b)为图1(a)的A-A剖视图。

图2(a)为本发明组合式电磁-压电燃气喷射装置的电磁-压电部分结构示意图，图2(b)和图2(c)为图2(a)的局部放大图。

图3(a)为本发明组合式电磁-压电燃气喷射装置的双活塞部分结构示意图，图3(b)为图3(a)的B-B剖视图。

图4为本发明组合式电磁-压电燃气喷射装置的双针阀喷嘴部分结构示意图。

具体实施方式

下面结合图例对本发明做更详细的描述：

本发明的组合式电磁-压电燃气喷射装置主要由电磁-压电控制部分1、双活塞部分3、双针阀喷嘴部分4、喷射装置体5和喷射装置上端盖8组成。喷射装置体5上有第一低压泄油口2、控制油入口6、第二低压泄油口7、燃气入口9等，燃气入口处油道俯视图如图1(b)所示。

电磁-压电控制部分1主要包括电磁阀10、压电控制阀11、压电控制阀套12等，电磁阀10和压电控制阀11均安装在压电控制阀套12内。电磁阀10主要包括电磁体13、电磁铁14、线圈15、衔铁16、电磁阀阀杆19、阀杆密封底座22、电磁阀弹簧座23、电磁阀弹簧24、止动环26等。电磁阀体13和电磁阀弹簧座23之间形成电磁阀腔17，电磁阀弹簧座23和阀杆密封底座22之间形成凹槽腔20。电磁铁14安装在电磁阀体13的电磁阀腔17里，衔铁16位于电磁铁14下方，电磁阀阀杆19的一端通过止动环26卡在衔铁16上，另一端贯穿衔铁16下方的电磁阀弹簧座23，压在阀杆密封底座22上。电磁阀阀杆19上设计有高压油环带21，电磁阀10未通电时，电磁阀阀杆29在电磁阀弹簧24的作用下压在阀杆密封底座22上，关闭高压油环带21。电磁阀弹簧座23上设计有油道18和油道25，油道25连通凹槽腔20和电磁阀腔17，油道18连通电磁阀腔17和第一低压泄油口2。阀杆密封底座22上设计油道连通高压油环带21和第一活塞控制腔36。压电控制阀11主要包括压电元件27、弹性垫片28、控制阀杆29、控制阀座30、控制阀弹簧31、控制阀弹簧座32、密封圈35等。控制阀座30和控制阀弹簧座32之间形成控制阀油腔33，控制阀油腔33和第二活塞控制腔47之间通过油道连通，控制阀杆29上设计有低压油环带34，低压油环带34和第二低压泄油口7之间通过油道连通。控制阀杆29下端卡在控制阀弹簧31上，在弹簧预紧力作用下压在控制阀座30上，关闭低压油环带34。双活塞部分3主要包括第一活塞控制腔36、第一活塞38、第一针阀控制腔41、第二针阀控制腔42、活塞套43、第二活塞44、第二活塞控制腔47。活塞套43上设计有环形油槽46、油道45、油道37和中心油道39，环形油槽46俯视图如图3(b)所示。从控制油入口6流入的高压控制油流经环形油槽46被分成两路，一路流入油道37，再流入第一活塞控制腔36和第一针阀控制腔41；另一路流入油道45，再流入第二活塞控制腔47和第二针阀控制腔42。电磁阀10断电时，在电磁阀弹簧24作用下电磁阀杆19压在阀杆密封底座22上，关断高压油环带21；电磁阀10通电时，电磁阀杆19抬起，高压油环带21打开，第一活塞控制腔36内高压油通过油道流经凹槽腔20和电磁阀腔17，再从油道18流向第一低压泄油口2。泄油油路流经电磁阀，在燃油流动作用下带走双电磁阀热量，起到冷却电磁阀的作用，并减小电磁阀衔铁上下运动的冲击和振动，从而提高双电磁阀工作的稳定性。压电控制阀11断电时，在控制阀弹簧31的作用下控制阀杆29压在控制阀座30上，关断低压油环带34；压电控制阀11通电时，压电元件27伸长，控制阀杆29向下运动，低压油环带34打开，第二活塞控制腔47内高压油通过油道流经控制阀油腔33，再从油道流向第二低压泄油口7。压电元件27压电效应形变长度可靠性高，燃气喷射率控制精度高。双针阀喷嘴部分4主要包括喷嘴Ⅰ、喷嘴Ⅱ、针阀底座56、喷嘴套59等。喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ共用一个针阀底座56，喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ结构和安装方式均相同，在喷嘴套59内对称分布。喷嘴Ⅰ由第一针阀弹簧座48、第一针阀弹簧49、第一针阀50、第一针阀密封油环带51、第一针阀燃气腔53、第一喷孔54组成。第一针阀50上设计有圆环形台阶，在圆环形台阶下方，第一针阀50和喷射装置体5之间形成第一针阀控制腔41。第一针阀50在第一针阀弹簧49的预紧力作用下压在针阀底座56上关闭第一喷孔54。第一针阀50和针阀底座56之间形成第一针阀燃气腔53，在第一针阀燃气腔53上方，第一针阀50和针阀底座56之间设计有第一针阀密封油环带51。针阀底座56中间开有燃气进气道和进气槽，将高压燃气引入第一针阀燃气腔53和第二针阀燃气腔56，以满足喷气装置进气要求；两侧开有进油槽和进油道，将部分控制油引入第一针阀密封油环带51和第二针阀密封油环带58。燃气从喷射装置体5上的燃气入口9进入中心气道39，在圆形气槽40处分成两路，一路由气道52进入第一针阀燃气腔53，另一路由气道57进入第二针阀燃气腔56。针阀套59和喷射装置体5之间采用螺纹连接并设计有密封圈，防止气缸内高温、高压的燃气进入喷射装置双针阀喷嘴部分。

本发明的组合式电磁-压电喷射装置喷射燃气，第一针阀燃气腔53和第二针阀燃气腔55处引入的均是燃气，在两个针阀抬起和落座过程中，燃气容易随着阀杆的运动向上泄漏，泄漏的燃气进入第一针阀控制腔41和第二针阀控制腔42时，由于燃气的可压缩性会严重影响燃气喷射装置的喷气特性。为了解决此问题，本发明的双针阀燃气喷射装置在两针阀和针阀底座56之间分别开有第一针阀密封油环带51、第二针阀密封油环带58，通过油道引入部分控制油密封燃气，能有效地防止燃气泄漏。另外，第一针阀控制腔41内的控制油、第一密封油环带51内的密封油、第二针阀控制腔42内的控制油和第二针阀密封油环带58内的密封油均采用同一种油，两针阀上下油压均相等，能有效保证控制油、密封油无静态泄漏。

发动机工作时，控制单元采集传感器的输入信号，驱动电磁阀和压电控制阀工作，从而分别控制喷嘴Ⅰ和喷嘴Ⅱ喷射燃气。电磁阀10断电时，在电磁阀弹簧24作用下电磁阀杆19压在阀杆密封底座22上，关断高压油环带21，第一活塞控制腔36和第一针阀控制腔41内油压相等，第一针阀50在第一针阀弹簧49作用下压在针阀底座56上，关闭第一喷孔54，喷嘴Ⅰ不喷气；电磁阀10通电时，电磁阀杆19抬起，高压油环带21打开，第一活塞控制腔36内高压油通过油道依次流经凹槽腔20和电磁阀腔17，再从油道18流向第一低压泄油口2，第一活塞控制腔36内油压降低，第一针阀50在第一针阀控制腔41内高压油作用下迅速抬起，第一喷孔54打开，喷嘴Ⅰ开始喷气。压电控制阀11断电时，在控制阀弹簧31的作用下控制阀杆29压在控制阀座30上，关断低压油环带34，第二活塞控制腔47和第二针阀控制腔42内油压相等，第二针阀关闭第二喷孔，喷嘴Ⅱ不喷气；压电控制阀11通电时，压电元件27伸长，控制阀杆29克服控制阀弹簧31的弹簧力和控制阀油腔33内控制油的液压力向下运动，低压油环带34打开，第二活塞控制腔47内高压油通过油道流经控制阀油腔33，再从油道流向第二低压泄油口7，第二活塞控制腔47内油压下降，第二针阀迅速抬起打开第二喷孔，喷嘴Ⅱ开始喷气。通过改变压电控制阀11通电时间长短，可以灵活调节压电元件27的形变长度，从而改变控制阀29的升程，又由于控制阀29决定了控制腔内建压和泄压，第二针阀的最大升程也随着通电时间长度的变化可调，因此，第二喷嘴的喷气率可调。根据发动机所处工况，可选择电磁阀或压电控制阀单独工作、电磁阀和压电控制阀同时工作、电磁阀和压电控制阀先后顺序工作三种控制模式，实现喷气装置小流量喷气、大流量喷气、先缓后急变流量喷气等三种模式。

由上述工作过程可知，组合式电磁-压电燃气喷射装置采用双针阀喷嘴喷气满足发动机不同工况下的喷气要求，节省空间并简化了发动机结构，由一个电磁阀和一个压电控制阀分别控制两个喷嘴的燃气喷射过程，仅电磁阀或压电控制阀工作的时候，只有一个喷嘴喷气，满足发动机低负荷对小流量喷气的控制精度要求，压电元件控制针阀最大升程可调，可以满足系统喷射规律可变性要求；电磁阀和压电控制阀同时工作的时候，两个喷嘴同时喷气，满足发动机高负荷对喷气量及喷气稳定性的需求；电磁阀和压电控制阀先后顺序工作的时候，两个喷嘴顺序喷气，可实现先缓后急的喷气规律，喷气规律灵活，满足发动机在不同工况下的功率及系列化发动机功率需求。喷气过程由电磁阀控制，具有响应快速，对喷气量精确控制的特点。喷嘴部分采用燃油密封燃气可有效地防止燃气泄漏，控制油和密封油采用同一种油可有效防止控制腔和密封环带的燃油静态泄漏。因此，本发明能够使发动机满足日益严格的排放法规要求，有效地提高其动力性、经济性和可靠性。

Claims (3)

1.一种电磁与压电组合式燃气喷射装置，包括喷射装置体、针阀、活塞、电磁阀和压电控制阀，其特征是：两个针阀通过针阀底座和喷嘴套安装在喷射装置体下部，每个针阀与针阀底座之间形成针阀燃气腔，两个活塞设置在活塞套中，活塞套安装在喷射装置体中且两个活塞的下腔分别与一个针阀相对，压电控制阀和电磁阀安装在压电控制阀套中，压电控制阀套安装在喷射装置体上部且在压电控制阀套与活塞套之间设置控制阀弹簧座，活塞套上端通过喷射装置上端盖与喷射装置体之间固定，活塞套上开有燃气入口及中心气道，中心气道在喷射装置体和针阀底座中分成两路气道，两路气道分别连通两个针阀燃气腔，控制油从喷射装置体上的控制油入口引入后由两路油道分别连通两个活塞的下腔与上腔，一个活塞的上腔与电磁阀阀腔连通，另一个活塞的上腔与压电控制阀阀腔连通，压电控制阀和电磁阀均设置低压泄油口。

2.根据权利要求1所述的电磁与压电组合式燃气喷射装置，其特征是：每个针阀与针阀底座之间形成针阀密封油环带，两路油道分别与一个针阀密封油环带连通。

3.根据权利要求1或2所述的电磁与压电组合式燃气喷射装置，其特征是：电磁阀的低压泄油口位于电磁阀体上部。