CN106286055B - 流体分配器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种流体分配器，包括壳体和转轴。壳体的中心具有圆柱孔，圆柱孔中设置转轴，转轴与圆柱孔紧密滑动配合。壳体上开设有流体进口，流体进口具有与圆柱孔连通的进流道。壳体上开设有流体出口，流体出口具有与圆柱孔连通的出流道。流体进口与流体出口对应。转轴上具有通道，转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端对准流体进口的进流道，此时通道的另一端对准流体出口的出流道，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路。转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端与流体进口的进流道偏离，此时通道的另一端与流体出口的出流道也偏离，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路关闭。

Description

流体分配器

技术领域

本发明涉及机械设备领域，尤其涉及与流体流动和分配有关的机械设备。

背景技术

在机械设备中，涉及大量的流体流动和分配，尤其在内燃机、锅炉等热工设备、化工设备等领域中，需要对流体燃料、原料等进行输送和动态精准分配。

以使用最为广泛之一的柴油机为例，柴油机是重型汽车、拖拉机、工程机械、舰船、农用机械等最为广泛使用的发动机。柴油机具有功率大的优势，但相比清洁节能燃料，仍存在燃油消耗大、燃油使用效率较低、排放污染严重的缺陷。在石化燃料资源逐步减少、同时对环境保护更加重视的今天，柴油机面临很大的改造压力。

降低柴油机燃油消耗与排放污染的主要技术途径之一是使得喷入柴油机燃烧室的燃油颗粒更小，常用的手段是使用更高的燃油喷射压力。因为柴油喷射是间歇式的，因此需要使用一个流体分配器来控制柴油按照理想的规律喷入到燃烧室中。目前使用的流体分配器是由电磁阀控制的喷油系统。在需要进行喷射时，电磁阀得电动作，驱动针阀移动，使得喷油器的油路打开，燃油能够被喷入到燃烧室中。在需要停止喷射时，电磁阀失电，针阀由机械力(通常由弹簧提供)驱动复位，喷油器的油路关闭。

采用电磁阀和针阀结构的流体分配器存在以下的缺陷：

喷油系统的加工精度要求很高，制造成本高，并且容易出现故障。尤其在类似柴油机的应用中。由于柴油机的燃烧室在工作状态下处于高温高压状态，并且柴油的燃烧过程中也容易产生各种残余物。高温高压的环境和残余物的作用使得针阀容易出现堵塞、变形等问题，导致流体分配器故障或者失效，从而引起一系列的问题。

另一方面，电磁阀控制针阀的开闭，是通过调节电磁阀的开闭频率来调节针阀的开闭频率，由此来调节所流通的燃料量。从电磁阀和针阀的工作原理很容易发现，电磁阀驱动针阀打开油路，或者由机械力驱动针阀复位关闭油路，都需要一定的时间。在要求高频率开闭的应用时，电磁阀或者弹簧自身的响应时间难以满足要求，并且，很高的工作频率会影响到电磁阀或者弹簧的使用寿命和性能。但随着发动机技术的进展，对发动机的要求会越来越高，这也使得采用电磁阀和针阀结构的流体分配器将面临越来越大的困难。

除了上面举例说明的发动机领域，在很多其他工业设备领域，比如化工设备、锅炉设备中，也存在流体分配的需求，这些领域中目前使用的流体分配器的基本结构也是电磁阀和针阀，类似的，同样面临改进的需求。

发明内容

本发明旨在提出一种流体分配器，以动力装置，比如电机驱动转轴的方式来控制流体通路的开闭。

根据本发明的一实施例，提出一种流体分配器，包括壳体和转轴。壳体的中心具有圆柱孔，圆柱孔中设置转轴，转轴与圆柱孔紧密滑动配合。壳体上开设有流体进口，流体进口具有与圆柱孔连通的进流道。壳体上开设有流体出口，流体出口具有与圆柱孔连通的出流道。流体进口与流体出口对应。转轴上具有通道，转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端对准流体进口的进流道，此时通道的另一端对准流体出口的出流道，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路。转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端与流体进口的进流道偏离，此时通道的另一端与流体出口的出流道也偏离，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路关闭。

在一个实施例中，壳体上开设有一组流体进口，每一流体进口具有与圆柱孔连通的进流道。壳体上开设有一组流体出口，每一流体出口具有与圆柱孔连通的出流道。流体进口与流体出口一一对应，进流道与出流道也一一对应。转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端对准一个进流道，此时通道的另一端对准对应的一个出流道，对应的流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路。转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端与该进流道偏离，此时通道的另一端对应的出流道也偏离，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成的流体通路关闭。

转轴连接到动力装置。动力装置驱动转轴旋转，通过调节转轴的转速调节流体通道的开闭速率以控制流体的流量。或者动力装置驱动转轴在壳体中轴向移动，通过调节转轴的轴向位置调节流体通道的开闭速率以控制流体的流量。或者动力装置驱动转轴驱动旋转并且在壳体中轴向移动，通过调节调节转轴的转速和转轴的轴向位置调节流体通道的开闭速率以控制流体的流量。

在一个实施例中，一组进流道和一组出流道被配置成：转轴每旋转一周，流体通路导通一次。

在一个实施例中，一组进流道和一组出流道被配置成：转轴每旋转一周，流体通路导通多次。

在一个实施例中，多个流体分配器并联，多个流体分配器的转轴通过齿轮相互咬合而机械联动。

在一个实施例中，多个流体分配器的转轴分别连接到各自的动力装置，其中一个动力装置为工作动力装置，工作动力装置驱动所有的转轴旋转，其余动力装置为后备动力装置，后备动力装置处于空转状态。

在一个实施例中，工作动力装置出现故障，后备动力装置的其中之一成为工作动力装置，驱动所有的转轴旋转。

在一个实施例中，壳体中还开设有泄流槽，泄流槽与回流孔连通。

本发明的流体分配器使用壳体和转轴的方式来控制流体通路的开闭，简化了结构。较为简单的结构更能使用高温高压等工作环境，故障率能够降低。此外，通过进流道和出流道的布置方案，能够改变转轴转速和流体通路开闭频率之间的倍率，使得该流体分配器能够适应更广泛的开闭频率。多个流体分配器能互相并联形成冗余结构，进一步提高运行的稳定性。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的一实施例的流体分配器的剖面结构图，此时流体通道处于关闭状态。

图2揭示了根据本发明的一实施例的流体分配器的剖面结构图，此时流体通道处于打开状态。

图3揭示了根据本发明的一实施例的流体分配器的左部视图，转轴每旋转一周流体通路打开一次。

图4是图3中A-A向的剖面结构图，其中揭示了泄流槽的结构。

图5揭示了根据本发明的另一实施例的流体分配器的左部视图，转轴每旋转一周流体通路打开数次。

图6揭示了多个流体分配器并联的结构视图。

具体实施方式

本发明的流体分配器改变了传统的以电磁阀和针阀来控制流体通路导通和开闭的方式，使用由动力装置驱动的旋转的转轴来控制流体通路的导通和开闭。动力装置可以是电机，电机驱动转轴运动的方式包括：驱动转轴旋转、驱动转轴轴向位移、或者驱动转轴即旋转又轴向位移。

根据发明的一实施例，提出一种流体分配器，包括壳体和转轴。壳体的中心具有圆柱孔，圆柱孔中设置转轴，转轴与圆柱孔紧密滑动配合。壳体上开设有流体进口，流体进口具有与圆柱孔连通的进流道。壳体上开设有流体出口，流体出口具有与圆柱孔连通的出流道。流体进口与流体出口对应。转轴上具有通道，转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端对准流体进口的进流道，此时通道的另一端对准流体出口的出流道，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路。转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道的一端与流体进口的进流道偏离，此时通道的另一端与流体出口的出流道也偏离，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路关闭。

在实际的应用中，通常在壳体上会形成数个流体进口和数个流体出口，从而形成数个流体通路，以满足多路流体的使用需求，比如在发动机中多个缸所需的多个流体通路。图1和图2揭示了根据本发明的一实施例的流体分配器的结构图，该流体分配器中形成有多个流体通路。其中图1是流体通道处于关闭状态时流体分配器的剖面结构图，图2是流体通道处于打开状态时流体分配器的剖面结构图。参考图1和图2所示，该流体分配器包括壳体101和转轴102，转轴102可以轴向移动。壳体101的中心具有圆柱孔111，圆柱孔111中设置转轴102，转轴102与圆柱孔111紧密滑动配合。此处紧密滑动配合的含义是指转轴102与圆柱孔111的尺寸精密匹配，转轴102能在圆柱孔111中以很低的摩擦阻力转动，但两者间的间隙不会造成显著的流体泄漏。在图示的实施例中，还包括压盖103，压盖103起到装配壳体101和转轴102，以及对两者的装配间隙进行密封的作用。壳体101上开设有一组流体进口112，每一流体进口112具有与圆柱孔连通的进流道113。在图示的实施例中，流体进口112还与压力接口110连通，通过压力接口110可以施加压力，从而对流体进口112和进流道113中的流体进行加压。压力接口110的数量可以是一个，也可以是多个。壳体101上还开设有一组流体出口114，每一流体出口114具有与圆柱孔111连通的出流道115。流体进口与流体出口一一对应，进流道与出流道也一一对应。需要说明的是，此处为了描述的方便，将流体进口112描述为多个。在实际应用中，流体进口112可以为贯通的连续通道，比如流体进口112为贯通的环形通道，该环形通道一组进流道113连通到圆柱孔111。或者说，在实际应用中，多个流体进口可以互相连通称为一体。以图1和图2所示的剖面结构图为例，在图1和图2所示的剖面中，示出了两个流体进口和相应的进流道，流体进口和进流道位于壳体101的左半部分。位于下侧的流体进口和进流道用标记a表示，位于上侧的流体进口和进流道用标记b表示。图1和图2所示的剖面中还示出了两个出流道和流体出口，流体出口和出流道位于壳体101的右半部分。位于上侧的流体出口和出流道用标记a表示，位于下侧的流体出口和出流道用标记b表示。同样标记为a的流体进口、进流道、流体出口和出流道对应，形成一个流体通路，类似的，同样标记为b的流体进口、进流道、流体出口和出流道对应，形成一个流体通路。转轴102上具有通道121，转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道121的一端对准一个进流道，此时通道121的另一端对准对应的一个出流道，对应的流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路。转轴旋转和/或在壳体中轴向移动，通道121的一端与该进流道偏离，此时通道的另一端对应的出流道也偏离，流体进口、进流道、出流道和流体出口形成的流体通路关闭。本发明提出了三种方式来对流体通路的开闭进行控制。

第一种控制方式是通过转轴的旋转。在图1和图2所示的实施例中，进流道113和出流道115位于同一个剖面上，但是位于不同的高度位置，比如进流道113位于较低的位置而出流道115位于较高的位置。转轴102上的通道121为径向贯穿转轴102的斜孔(参考图2)。参考图2所示，当转轴102旋转使得通道121旋转到与进流道、出流道同一个剖面时，通道121的一端对准由b标记的流体进口112的进流道113，此时通道121的另一端对准同样由b标记的流体出口114的出流道115。由b标记的流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路b。转轴102继续旋转，通道121的一端与由b标记的流体进口112的进流道113偏离，此时通道121的另一端与由b标记的流体出口114的出流道115也偏离。流体进口、进流道、出流道和流体出口形成的流体通路b关闭，参考如图1所示的状态。同样可以理解的是，在转轴102从图2所示的状态继续旋转180度后，流体通道a将会打开。在一个实施例中，转轴102连接到动力装置，比如电机，动力装置驱动转轴102旋转。通过动力装置来调节转轴的转速，从而调节流体通道的开闭速率以控制流体的流量。在流体进口、流体出口、通道的直径固定，流体压力也保持恒定的情况下，通道与流体进口、流体出口接通的时间的长短决定了流体通道的打开时间的长短，也决定了流体流量的大小。转轴的转速减低，流体通道的开闭速率降低，流体通道的打开时间增加，流体流量增加。转轴的转速增高，流体通道的开闭速率增加，流体通道的打开时间缩短，流体流量减少。

第二种控制方式是通过转轴的轴向移动。动力装置，比如电机可以驱动转轴102在壳体中轴向移动。转轴102的轴向移动可以改变转轴102的轴向位置，使得进流道113与通道102的开闭面积的大小被改变，从而改变流体流量。通道与进流道和出流道导通的面积增加，流体流量增加。通道与进流道和出流道导通的面积减小，流体流量减小。结合图1和图2所示，当转轴102上的孔121和壳体上的进流道113、出流道115对准时流体流量最大。转轴102的轴向位移，使得孔121和进流道113、出流道115偏离，则流体流量减少。

第三种控制方式是结合转轴的旋转和转轴的轴向移动。动力装置，比如电机既可以驱动转轴102旋转，同时也可以驱动转轴102在壳体中轴向移动。第三种控制方式结合了前两种控制方式，既通过控制流体通道的开闭频率，又通过控制流体通道的开闭面积来调节流体流量。第三种控制方式与前两种控制方式相比较，能够获得更广的流体流量的调节范围。

如上面所描述的，流体流量可以通过流体通道的开闭频率、流体通道的开闭面积或者两者的结合来调节。流体通道的开闭频率是由动力装置驱动转轴旋转的转速来控制，流体通道的开闭面积是由动力装置调节转轴的轴向位置实现。也就是说，动力装置的转速(决定了流体通道的开闭频率)、转轴的轴向位置(决定了流体通道的开闭面积)或者两者的组合能够获得丰富的调节手段，使得在很宽的范围内都能够对流体流量进行控制和调节。传统的电磁阀和针阀结构的流体分配器，其开闭频率仅能够通过提高电磁阀与针阀的开闭这一种方式来调节，在面对需要高频率开闭流体通道的应用时，相应需要能够高频率开闭的电磁阀和针阀，而如前面所描述的，电磁阀和针阀结构的流体分配器不能相对于流体通道开闭频率调节倍率，因此其应用范围会受到电磁阀和针阀自身性能的限制。对于需要高频率开闭的流体通道来说，由于同样需要能够高频率开闭的电磁阀和针阀，使得成本会急剧提高，或者直接无法使用。而本发明通过转轴旋转、转轴的轴向移动或者两者的结合来控制流体通道的开闭，能够通过流体进口和流体出口的配置，能够满足更大范围的流体通道的开闭频率的要求，使得流体分配器的适用范围更大，使用成本更低。

此外，在以转轴转速控制流体通道的开闭频率的时候，还可以使得动力装置转速和流体通道的开闭频率形成不同的倍率，以在同样的动力装置(电机)的转速下获得更大的调节范围。例如在图1和图2所示的实施例中，一组进流道和一组出流道被配置成：转轴每旋转一周，流体通路导通一次。在存在多个流体通路的情况下，转轴每旋转一周，各个流体通路分别导通一次。比如在图1和图2所示的实施例中，转轴每旋转一周，流体通路a和流体通路b各自导通一次。在这种配置下，动力装置的转速和流体通路的开闭频率是同倍率。

图3揭示了根据本发明的一实施例的流体分配器的左部视图。在图3中，可见壳体101以及位于圆柱孔中的转轴102，转轴102中用虚线表示了通道121。在壳体上，以环形方式布置了一圈流体出口114，对于流体进口，由于其位于流体分配器的左半部分，因此在图3所示的左部视图中无法看见。流体进口通过进流道与圆柱孔连通，流体出口114通过出流道与圆柱孔连通。进流道与出流道的数量相等且一一对应，每一个流体出口114连接到一个出流道。在具有多个流体进口的情况下，每一个流体进口与一个进流道连接，如果流体进口是环形通道，则所有的进流道都与环形通道连通。如此布置，每一组对应的进流道和出流道在转轴旋转一圈时导通一次，即每一个流体通道在转轴旋转一周时导通一次。各个不同的流体通道在转轴旋转一周时依次导通。比如在图3所示的实施例中，示出了6个流体出口，表示有6个流体通道，彼此相隔60度，转轴每旋转60度，可以导通一个流体通道。旋转一周，6个流体通道依次导通一次。需要说明的是，虽然在图3中以6个流体通道为例进行说明，在实际应用中可以根据需要设置流体通道的数量，本发明对此不做限制。

参考图5所示，揭示了根据本发明的另一实施例的流体分配器的左部视图，转轴每旋转一周流体通路打开数次。在图5中，示出了6个流体进口512和6个流体出口514，与图3所示的实施例不同的是，6个流体进口512和6个流体出口514布置在同一个圆环上，但分布在不同的半周上。6个流体进口512位于同一个半周(图5中位于左侧半周)、6个流体出口514位于另一个半周(图5中位于右侧半周)。流体进口512和流体出口514分别通过各自的进流道113(用虚线表示)和出流道115(用虚线表示)与圆柱孔连通，转轴102上具有通孔121(同样用虚线表示)。这样，当转轴102旋转一周时，每一个流体通路被导通两次，而6个流体通路是以30度彼此间隔，转轴每旋转30度，导通一个流体通道。如此即使得流体通路的开闭频率和动力装置转速形成两倍倍率。需要说明的是，虽然在图5中以6个流体通道为例进行说明，在实际应用中可以根据需要设置流体通道的数量，并调节间隔的角度，本发明对此不做限制。如图6所示，图6揭示了多个流体分配器并联的结构视图。在图6中，两个如图1～图3所示的流体分配器并联，它们的转轴通过齿轮组互相啮合而联动。两个流体分配器的转轴分别连接到各自的动力装置601和602，其中一个动力装置为工作动力装置，工作动力装置驱动两个转轴旋转，另一个动力装置为后备动力装置，后备动力装置处于空转状态。如果工作动力装置出现故障，在检测到工作动力装置故障后，后备动力装置自动成为工作动力装置，继续驱动两个转轴旋转。由此，两个动力装置形成冗余配置，使得并联的流体分配器具有更高的运行稳定性。需要说明的是，虽然图6中以两个流体分配器为例进行说明，但根据实际需要，可以将该种配置扩展到多个的情况，即：多个流体分配器并联，多个流体分配器的转轴通过齿轮相互咬合而联动。多个流体分配器的转轴分别连接到各自的动力装置，其中一个动力装置为工作动力装置，工作动力装置驱动所有的转轴旋转，其余动力装置为后备动力装置，后备动力装置处于空转状态。工作动力装置出现故障，后备动力装置的其中之一成为工作动力装置，驱动所有的转轴旋转。

通过并联多个流体分配器，在获得冗余配置的同时，还可以获得以下效果：更多的布置流体通路的空间以容纳更多流体通路、流体通路的开闭频率和动力装置转速之间更宽的倍率范围。

参考图4所示，图4是图3中A-A向的剖面结构图，其中揭示了泄流槽的结构。前面已经描述，转轴102于圆柱孔111是紧密滑动配合，转轴102与圆柱孔111的尺寸精密匹配，转轴102能在圆柱孔111中以很低的摩擦阻力转动，但两者间的间隙不会造成显著的流体泄漏。在流体被加压的应用中，在紧密滑动配合中，依旧会存在流体泄漏的情况，在转轴102和圆柱孔111的间隙中会出现少量的流体泄漏。由于压盖103和油封将壳体101和转轴102整体上密封，因此在壳体101内设置泄流槽118，泄流槽118用于收集从转轴102和圆柱孔111的间隙中渗出的流体，泄流槽118的的两端分别与圆柱孔111连通，泄流槽118的中部还与回液管119连通，回液管119连接到流体进口，泄流槽118从圆柱孔111中回收渗出的流体，这些回收的流体会被重新收集并再次进入到流体进口中重新使用。

本发明的流体分配器使用壳体和转轴的方式来控制流体通路的开闭，简化了结构。较为简单的结构更能使用高温高压等工作环境，故障率能够降低。此外，通过进流道和出流道的布置方案，能够改变转轴转速和流体通路开闭频率之间的倍率，使得该流体分配器能够适应更广泛的开闭频率。多个流体分配器能互相并联形成冗余结构，进一步提高运行的稳定性。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。因此，根据不同需要可以多个并联，也可多个通路。

Claims (6)

1.一种用于柴油机的流体分配器，其特征在于，包括壳体，壳体的中心具有圆柱孔，圆柱孔中设置转轴，转轴与圆柱孔紧密滑动配合；

壳体上开设有一组流体进口，每一流体进口具有与圆柱孔连通的进流道，流体进口还与压力接口连通，通过压力接口施加压力，对流体进口和进流道中的流体进行加压；

壳体上开设有一组流体出口，每一流体出口具有与圆柱孔连通的出流道，流体进口与流体出口分别位于壳体的两端；

流体进口与流体出口一一对应，进流道与出流道也一一对应；

所述转轴上具有径向贯穿转轴的通道，所述转轴旋转，通道的一端对准一个进流道，此时通道的另一端对准对应的一个出流道，对应的流体进口、进流道、出流道和流体出口形成流体通路；

转轴旋转，通道的一端与该进流道偏离，此时通道的另一端对应的出流道也偏离，所述流体进口、进流道、出流道和流体出口形成的流体通路关闭；

其中所述转轴连接到动力装置，所述动力装置驱动转轴旋转，通过调节转轴的转速调节所述流体通道的开闭速率以控制流体的流量；所述转轴的转速减低，流体通道的开闭速率降低，流体通道的打开时间增加，流体流量增加；所述转轴的转速增高，流体通道的开闭速率增加，流体通道的打开时间缩短，流体流量减少。

2.如权利要求1所述的用于柴油机的流体分配器，其特征在于，所述一组进流道和一组出流道被配置成：转轴每旋转一周，所述流体通路导通多次。

3.如权利要求1所述的用于柴油机的流体分配器，其特征在于，多个所述流体分配器并联，多个流体分配器的转轴通过齿轮相互咬合而机械联动。

4.如权利要求3所述的用于柴油机的流体分配器，其特征在于，多个流体分配器的转轴分别连接到各自的动力装置，其中一个为工作动力装置，驱动所有的转轴旋转，其余为后备动力装置，处于空转状态。

5.如权利要求4所述的用于柴油机的流体分配器，其特征在于，当工作的动力装置出现故障，后备动力装置的其中之一成为工作动力装置，驱动所有的转轴旋转。

6.如权利要求1所述的用于柴油机的流体分配器，其特征在于，所述壳体中还开设有泄流槽，所述泄流槽与所述圆柱孔连通。