CN106837640B - 针阀运动速度可控的共轨喷油器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针阀运动速度可控的共轨喷油器，包括：电磁阀、阀紧座、衔铁、衔铁杆、控制阀、喷油器体、衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧、针阀复位弹簧、针阀体、针阀；本发明采用一进二出三个节流孔的方式组成液力系统，两个出油节流孔为串联连接也可为一个出油节流孔单独工作，由此，当两个出油节流孔为串联连接，液力伺服机构的控制腔压力下降较为缓慢，最终使喷油器的针阀上升速度较慢；当第一出油节流孔单独工作时，控制腔的压力迅速下降，针阀上升速度加快。

Description

针阀运动速度可控的共轨喷油器

技术领域

本发明涉及柴油机高压共轨系统，尤其是可变喷油速率共轨系统。

背景技术

为了综合实现柴油机低排放、高燃油效率、低噪声等方面的需求，一种喷油速率可变的供油系统成为技术发展的趋势之一。现有技术中，直接在共轨系统的喷油器上实现可变喷油速率是最可行的方案。目前，可变喷油速率共轨喷油器技术方案中主要有增压式和节流式两种；

方案一，增压式；

德国博世CRIN4.2是一种增压式喷油器（CN200780030674.4）；其结构主要有四部分组成：电磁阀、压力放大部分、电磁阀和油嘴控制部分；CRIN4.2的特点就在于其压力放大的部分，此系列的喷油器外形尺寸比以往的喷油器稍长，外径较大，限制了其使用的范围。控制油嘴工作的电磁阀结构与DELPHI公司Multec喷油器相似，使该喷油器的响应速度得到提高。该型号喷油器中控制阀是一个双向阀，精度要求较高；另外放大活塞与体也是偶件，而且有两个接触面，加工比较困难。总体来说该型号喷油器成品较高。其缺点为：体积较大，不方便在柴油机上布置；工作时有较大的控制流量；制造工艺复杂，成本高。

方案二，节流式：

如图1所示，同轴可变油嘴喷油器的内部结构图，根据资料的介绍，结合DELPHI公司的专利CN200810188712.5，该喷油器的结构如图1所示。工作时，电磁铁产生吸力，衔铁82带动油嘴1号针阀52向上运动，高压油从高压油腔50处沿盲孔66向下，经过喷孔组58喷入发动机气缸，高压油腔50处压力下降，二号针阀54在91处高压油作用下，克服50处下降的油压和84处的弹簧力，向上运动，高压油从91处沿盲孔8向下，经过喷孔组62喷入发动机气缸。关闭时，电磁铁断电，衔铁82在弹簧力作用下带动一号针阀52向下运动至与阀座86密封，喷孔组58停止喷油，油腔50处压力上升，与84处的弹簧力一起作用，使2号针阀54向下运动至与阀体6密封，喷孔组62停止喷油。2、该结构喷油器的油嘴部分有两级喷孔，在需要小油量的时候，只需要二号针阀的打开，即能进行小油量的喷射，一号针阀无需打开。这样就提高了小油量控制的精度。3、该结构的电磁阀相对于Multec系统的电磁阀更小，使得喷油器的体积也能进一步的缩小。4、该结构控制部分对电磁阀的要求进一步的提高了。完全是由电磁阀的直接作用来控制油量。同时对油嘴的加工精度也提出了更高的要求。其缺点为：制造难度极大，油嘴针阀一般外径为Φ4mm，其针阀又分为两层，可以推测该方案的中间滑动针阀壁厚不会超过1.5mm，中孔最大Φ2mm，可见该油嘴的整体强度较差，不能满足较高压力（>200MPa）的喷射要求。至今，该方案未见实际产品。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种针阀运动速度可控的共轨喷油器，实现喷油速率可变，从而实现柴油机低排放、高燃油效率、低噪声等方面的需求。本发明采用的技术方案是：

一种针阀运动速度可控的共轨喷油器，包括：电磁阀、阀紧座、衔铁、衔铁杆、控制阀、喷油器体、衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧、针阀复位弹簧、针阀体、针阀；

电磁阀固定在喷油器体上端；针阀体固定在喷油器体下端；

电磁阀内部安装了两个弹簧，分别是衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧；

阀紧座与喷油器体相连并产生轴向压紧力，使阀紧座下方的控制阀的底面和喷油器体上密封面能够对高压燃油进行密封；

阀紧座位于电磁阀下方；衔铁导向段装配在阀紧座中孔中，衔铁杆装配在衔铁导向段中孔中，阀紧座中孔与衔铁导向段外圆、衔铁杆外圆与衔铁导向段中孔均为偶件关系；衔铁复位弹簧下端和衔铁上端相抵，衔铁杆复位弹簧下端和衔铁杆上端相抵；

电磁阀的吸力能够克服衔铁复位弹簧的预紧力，但小于衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧所施加的预紧力总和时，仅衔铁抬起；电磁阀的吸力能克服衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧所施加的预紧力总和时，衔铁通过衔铁杆顶部突出部带动衔铁杆一起抬起；

控制阀顶部中间设有连通燃油低压端的低压油路，并通过复位位置的衔铁杆底部密封；在控制阀中间低压油路一侧设纵向的减压孔，减压孔上端通过复位位置的衔铁导向段底部密封，减压孔下端通过第一出油节流孔连通喷油器体中间顶部的喷油器控制腔；减压孔上端外侧的阀紧座底部设连接燃油低压端的第二出油节流孔；控制阀中还设有连接燃油高压端的进油节流孔；进油节流孔通过控制阀体内设置的连接油道连通喷油器控制腔；

针阀装配在喷油器体和针阀体中，针阀顶端的上方为喷油器控制腔；针阀上下运动控制其头部与针阀体头部的密封锥面处的密封和开启。

进一步地，衔铁复位弹簧的预紧力小于衔铁杆复位弹簧的预紧力。

进一步地，在衔铁的内台阶和衔铁杆顶部突出部之间设有衔铁行程调节垫片，用于调节仅衔铁克服衔铁复位弹簧的预紧力而抬起的最大行程Δ1。

进一步地，在电磁阀内空间中间顶部固定向下延伸的限位芯，限位芯的底部与衔铁杆顶端的间隙为衔铁杆抬起的最大行程Δ3。

进一步地，阀紧座外缘顶端和电磁阀外缘底端之间设置用于调节电磁阀对衔铁吸力的衔铁调整环。

进一步地，衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧分别通过第一调整垫片、第二调整垫片，进行调整预紧力的大小；第一调整垫片、第二调整垫片安装在电磁阀内空间顶部，分别与衔铁复位弹簧、衔铁杆复位弹簧上端相抵。

进一步地，电磁阀通过电磁铁紧帽与喷油器体上端固定；针阀体通过油嘴紧帽固定在喷油器体下端。

进一步地，针阀的上外圆段与喷油器体的中孔为偶件关系；针阀的下外圆段与针阀体的上部中孔间隙在0.02mm-0.03mm之间。

进一步地，针阀体的上部中孔下方设有一处针阀体中间中孔；针阀体中间中孔与针阀下外圆段下方的导向部为偶件关系，在针阀的导向部设置一个或多个节流孔；这些节流孔的总流量小于喷油器喷孔的总流量。

进一步地，针阀通过喷油器体内置的针阀预紧弹簧提供预紧力，针阀预紧弹簧的一端支撑在喷油器体内部的台阶端面上，另一端支撑在第三调整垫片上，第三调整垫片支撑在卡片上，卡片支撑在针阀上的卡口处。

进一步地，针阀下外圆段上设有油槽。

本发明的优点在于：

1）实现柴油机燃油供油系统喷油速率可变的功能。

2）不改变喷油器外观尺寸，柴油机不用更换缸盖的前提下可以安装。

3）不用大幅度提高制造难度。

附图说明

图1为现有的一种节流式喷油器结构示意图。

图2为本发明的总体结构示意图。

图3为本发明的上部放大图。

图4为本发明的下部放大图。

图5为本发明的喷油速率可调节示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供一种针阀运动速度可控的共轨喷油器，如图2、图3、图4所示，包括电磁阀1、阀紧座19、衔铁14、衔铁杆22、控制阀6、喷油器体7、衔铁复位弹簧3、衔铁杆复位弹簧18、针阀复位弹簧11、针阀体17、针阀15；

通过电磁铁紧帽23与喷油器体7固定于螺纹连接处24，以此固定电磁阀1在喷油器体7上端；针阀体17通过油嘴紧帽9固定在喷油器体7下端；

见图2、图3，电磁阀1内部安装了两个弹簧，分别是衔铁复位弹簧3、衔铁杆复位弹簧18，分别通过第一调整垫片2、第二调整垫片13，进行调整预紧力的大小；其中衔铁复位弹簧3的预紧力F1较小（约为25N），衔铁杆复位弹簧18的预紧力F2较大（约为50N）。第一调整垫片2、第二调整垫片13安装在电磁阀1内空间顶部，分别与衔铁复位弹簧3、衔铁杆复位弹簧18上端相抵；

阀紧座19通过螺纹与喷油器体7相连并产生轴向压紧力，使阀紧座19下方的控制阀6的底面和喷油器体上密封面29能够对高压燃油进行密封；阀紧座19位于电磁阀1下方；衔铁14导向段27装配在阀紧座19中孔中，衔铁杆22装配在衔铁14导向段27中孔中，阀紧座19中孔与衔铁导向段27外圆、衔铁杆22外圆与衔铁导向段27中孔均为偶件关系；衔铁复位弹簧3下端和衔铁14上端相抵，衔铁杆复位弹簧18下端和衔铁杆22上端相抵；电磁阀1不通电时，衔铁14和衔铁杆22在弹簧力的作用下，处于复位位置（即运动的最下端位置）；

当电磁阀1通低电压小电流（如图5中的T1部分），则电磁阀的吸力保持在较小的水平（40N左右），此时仅有衔铁14能克服衔铁复位弹簧3的预紧力F1而抬起，其抬起的最大行程为Δ1，Δ1是通过衔铁行程调整垫片26进行调整的，衔铁行程调整垫片26设置在衔铁14的内台阶和衔铁杆22顶部突出部28之间；当衔铁14在吸力的作用下往上运动时，带着衔铁行程调整垫片26往上运动，当行程至Δ1时，衔铁行程调整垫片26的上端面与衔铁杆22顶部突出部28的底端接触，因为衔铁杆22是由衔铁杆复位弹簧18所施加了较大的预紧力F2，故此时电磁阀1的吸力不足以使衔铁杆22往上运动。当电磁阀1通高电压大电流（如图5中的T2部分），此时电磁阀1与衔铁14间的吸力足够大，以至于能够克服衔铁复位弹簧3、衔铁杆复位弹簧18所施加的预紧力总和，则衔铁杆22也在衔铁14的作用下，往上运动抬起。在电磁阀1内空间中间顶部固定向下延伸的限位芯25，限位芯25的底部与衔铁杆22顶端的间隙为衔铁杆22抬起的最大行程Δ3；当衔铁杆22的顶端与限位芯25的底部接触时，衔铁杆22达到最大行程Δ3，此时衔铁14的最大行程为Δ2=Δ1+Δ3。

阀紧座19外缘顶端和电磁阀1外缘底端之间设置衔铁调整环4；衔铁14和电磁阀1间的初始气隙Δ4是通过衔铁调整环4来进行调整的（Δ4-Δ2=0.02±0.005mm）。根据电磁铁的吸力特性，电磁阀1的吸力与气隙Δ4和电流均有关系。因此初始气隙Δ4可用于调整电磁阀1通电后对衔铁14的吸力。

控制阀6顶部中间设有连通燃油低压端的低压油路33，并通过复位位置的衔铁杆22底部密封；在控制阀6中间低压油路33一侧设纵向的减压孔31，减压孔31上端通过复位位置的衔铁导向段27底部密封，减压孔31下端通过第一出油节流孔30连通喷油器体中间顶部的喷油器控制腔37；减压孔31上端外侧的阀紧座19底部设连接燃油低压端的第二出油节流孔32；第二出油节流孔32可通过喷油器体7中的低压油道36、低压出油口40连通燃油低压端；控制阀6中的还设有连接燃油高压端的进油节流孔34；进油节流孔34通过喷油器体7中的高压油道16和高压进油口20连通燃油高压端；进油节流孔34通过控制阀6体内设置的连接油道35连通喷油器控制腔37；

图3中，衔铁14上下移动时，阀紧座19的中孔限制了其周向的位移，衔铁杆22上下移动时衔铁导向段27的中孔限制了其周向的位移。当衔铁14受到小吸力，仅克服衔铁复位弹簧3的预紧力，往上运动，衔铁导向段27底部的密封面38离开控制阀6的上端面，则喷油器控制腔37内部的高压燃油通过第一出油节流孔30、减压孔31流出，由共轨喷油器液力伺服阀的控制原理可知，系统的高压燃油通过高压油道16，经过进油节流孔34进入高压腔（喷油器控制腔37）。一般来说通过优化进油节流孔34和第一出油节流孔30的流量，即可控制喷油器控制腔37的压力变化。本发明中，衔铁密封面38失去对减压孔31的密封，燃油释放至由阀紧座19、控制阀6上侧、衔铁杆22外侧所形成的二级控制腔39内，燃油仅能经过第二出油节流孔32释放至系统的低压端。第一出油节流孔30和第二出油节流孔32为串联连接，其整体的流量小于单第一出油节流孔30的流量，因此喷油器控制腔37的压力下降较慢，且最终的稳定压力较大，所以针阀15的上升速度较缓慢。当衔铁14收到大吸力，克服两个弹簧（衔铁复位弹簧3、衔铁杆复位弹簧18）的预紧力往上运动时，衔铁杆22也将往上运动，此时衔铁杆22底部与控制阀6中的低压油路33的密封解除，则整个二级控制腔39与低压端相连，其压力迅速下降至系统的低压端压力，则第一出油节流孔30直接与低压端相连，整体出油流量增加，喷油器控制腔37的压力迅速下降，且最终的稳定压力值也较前一步低。这样针阀15的上升速度增加，直至行程为H2时，针阀15受到控制阀6底部的限位而停止运动。当电磁阀1断电时，衔铁14和衔铁杆22在衔铁复位弹簧3、衔铁杆复位弹簧18弹簧力的作用下往下运动，直至重新建立起控制阀6上端面的密封。则控制腔37的压力上升，针阀15往下运动；

如图4所示，针阀15采用整体针阀；针阀15装配在喷油器体7和针阀体17中，针阀15顶端的上方为喷油器控制腔37；针阀15上下运动控制其头部与针阀体头部的密封锥面44处的密封和开启。

喷油器体7内设有高压腔49，高压腔49连通喷油器体上的高压进油口20；

针阀15的上外圆段46与喷油器体7的中孔为偶件关系，两者间隙在0.01mm以内。由此针阀15的上下移动受到喷油器体7中孔的周向限位。

针阀15的下外圆段48与针阀体17的上部中孔47间隙在0.02mm-0.03mm之间，选择这个间隙范围主要是因为本发明喷油器体内腔全为高压腔，高压油从喷油器体高压进油口20处进入高压腔49内，高压油通过整体针阀15下外圆段48上的油槽43进入针阀体7内部。两端均为高压，不需要对燃油进行高压密封，同时若上下两外圆段48和46均间隙较小则会导致整体针阀运动的卡滞，故下段间隙可以较大。但该间隙仍有导向的作用，避免整体针阀15在关闭过程中由密封位置的不同造成油量偏差增大。综合考虑目前的制造能力之后，选取该间隙值。

针阀15通过喷油器体7内置的针阀预紧弹簧11提供预紧力，针阀预紧弹簧11的一端支撑在喷油器体7内部的台阶端面41上，另一端支撑在第三调整垫片10上，第三调整垫片10支撑在卡片8上，卡片8支撑在针阀15上的卡口42处；这样针阀预紧弹簧11对整体针阀15有一定的预紧力，在针阀密封和关闭时起到作用。

针阀体17的上部中孔47下方设有一处针阀体中间中孔50；针阀体中间中孔50与针阀15下外圆段48下方的导向部51为偶件关系，偶件配合段高度为H1；针阀体中间中孔50与针阀15的导向部51有节流的作用，根据实际流量的需要，可以在针阀15的导向部51设置一个或多个节流孔12；这些节流孔12的总流量小于喷油器喷孔45的总流量。在整体针阀升程小于H1时，该节流孔12起作用，当整体针阀升程大于H1时，节流孔12将不起作用，此时主要由喷孔45来决定喷油器的流量。

本发明使得针阀运动的速度可控，特别是针阀开启时，往上运动的速度可控；由于针阀刚开启、往上运动的初期，其针阀头部具有一定的节流效果，所以控制针阀上升的速度，就能使喷油速率的上升段变缓。若在喷油器喷孔45前端设置一个或多个节流孔12，且这些节流孔12的总流量小于喷孔45的总流量，并且使这些节流孔12在部分升程有效，则可以实现有阶段效果的喷油速率形状

如何使针阀的上升速度可控：由共轨喷油器的工作原理可知，一般电磁阀的共轨喷油器的运动件是由液力伺服机构控制的。由此，液力伺服机构的压力响应特性就决定了运动件的运动规律。控制阀为液力伺服机构的主要功能件，一般控制阀为一进一出两个节流孔组成液力回路，两个节流孔的流量就决定了其液力特性。本发明的主要思路就是，采用一进二出三个节流孔的方式组成液力系统，两个出油节流孔为串联连接也可为一个出油节流孔单独工作，由此，当两个出油节流孔30、32为串联连接，液力伺服机构的控制腔压力下降较为缓慢，最终使喷油器的针阀上升速度较慢；当一个出油节流孔30单独工作时，控制腔37的压力迅速下降，针阀15上升速度加快。

如何控制两个出油节流孔的开启：出油节流孔一般由密封阀机构进行控制，密封阀开启则出油节流孔开启，密封阀关闭则出油节流孔关闭。密封阀的开启和关闭由电磁阀的通电与否进行控制。本发明的思路是：利用电磁阀通低电压小电流时吸力较小，通高电压大电流时吸力较大的特性，即不同驱动方式产生的吸力差别来控制密封阀的开启。当电磁阀通低电压小电流时，一预紧弹簧力较小的密封阀开启，二个出油节流孔孔以串联的模式工作；当电磁阀通高电压大电流时，另一预紧弹簧力较大的密封阀开启，第一出油节流孔30直接连通燃油低压端。当电磁阀不通电，则在两个预紧弹簧力的作用下，两个出油节流孔均被密封，喷油器针阀逐渐关闭，喷油结束。当然若要开始阶段两出油孔同时工作，要在开始阶段便通高电压大电流，此时喷油器的喷油速率与普通共轨喷油器基本相同。

本发明能够实现共轨喷油器喷油速率可控，能实现先缓后急、靴型等理想的喷油速率形状。

Claims (10)

1.一种针阀运动速度可控的共轨喷油器，包括：电磁阀(1)、阀紧座(19)、衔铁(14)、衔铁杆(22)、控制阀(6)、喷油器体(7)、衔铁复位弹簧(3)、衔铁杆复位弹簧(18)、针阀复位弹簧(11)、针阀体(17)、针阀(15)；

电磁阀(1)固定在喷油器体(7)上端；针阀体(17)固定在喷油器体(7)下端；

电磁阀(1)内部安装了两个弹簧，分别是衔铁复位弹簧(3)、衔铁杆复位弹簧(18)；

阀紧座(19)与喷油器体(7)相连并产生轴向压紧力，使阀紧座(19)下方的控制阀(6)的底面和喷油器体(7)上密封面(29)能够对高压燃油进行密封；

其特征在于，

阀紧座(19)位于电磁阀(1)下方；衔铁(14)导向段(27)装配在阀紧座(19)中孔中，衔铁杆(22)装配在衔铁(14)导向段(27)中孔中，阀紧座(19)中孔与衔铁导向段(27)外圆、衔铁杆(22)外圆与衔铁导向段(27)中孔均为偶件关系；衔铁复位弹簧(3)下端和衔铁(14)上端相抵，衔铁杆复位弹簧(18)下端和衔铁杆(22)上端相抵；

电磁阀(1)的吸力能够克服衔铁复位弹簧(3)的预紧力，但小于衔铁复位弹簧(3)、衔铁杆复位弹簧(18)所施加的预紧力总和时，仅衔铁(14)抬起；电磁阀(1)的吸力能克服衔铁复位弹簧(3)、衔铁杆复位弹簧(18)所施加的预紧力总和时，衔铁(14)通过衔铁杆(22)顶部突出部(28)带动衔铁杆(22)一起抬起；

控制阀(6)顶部中间设有连通燃油低压端的低压油路(33)，并通过复位位置的衔铁杆(22)底部密封；在控制阀(6)中间低压油路(33)一侧设纵向的减压孔(31)，减压孔(31)上端通过复位位置的衔铁导向段(27)底部密封，减压孔(31)下端通过第一出油节流孔(30)连通喷油器体中间顶部的喷油器控制腔(37)；减压孔(31)上端外侧的阀紧座(19)底部设连接燃油低压端的第二出油节流孔(32)；控制阀(6)中还设有连接燃油高压端的进油节流孔(34)；进油节流孔(34)通过控制阀(6)体内设置的连接油道(35)连通喷油器控制腔(37)；

针阀(15)装配在喷油器体(7)和针阀体(17)中，针阀(15)顶端的上方为喷油器控制腔(37)；针阀(15)上下运动控制其头部与针阀体头部的密封锥面(44)处的密封和开启。

2.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

衔铁复位弹簧(3)的预紧力小于衔铁杆复位弹簧(18)的预紧力。

3.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

在衔铁(14)的内台阶和衔铁杆(22)顶部突出部(28)之间设有衔铁行程调节垫片(26)，用于调节仅衔铁(14)克服衔铁复位弹簧(3)的预紧力而抬起的最大行程Δ1。

4.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

在电磁阀(1)内空间中间顶部固定向下延伸的限位芯(25)，限位芯(25)的底部与衔铁杆(22)顶端的间隙为衔铁杆(22)抬起的最大行程Δ3。

5.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

阀紧座(19)外缘顶端和电磁阀(1)外缘底端之间设置用于调节电磁阀(1)对衔铁吸力的衔铁调整环(4)。

6.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

衔铁复位弹簧(3)、衔铁杆复位弹簧(18)分别通过第一调整垫片(2)、第二调整垫片(13)，进行调整预紧力的大小；第一调整垫片(2)、第二调整垫片(13)安装在电磁阀(1)内空间顶部，分别与衔铁复位弹簧(3)、衔铁杆复位弹簧(18)上端相抵。

7.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

电磁阀(1)通过电磁铁紧帽(23)与喷油器体(7)上端固定；针阀体(17)通过油嘴紧帽(9)固定在喷油器体(7)下端。

8.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

针阀(15)的上外圆段(46)与喷油器体(7)的中孔为偶件关系；针阀(15)的下外圆段(48)与针阀体(17)的上部中孔(47)间隙在0.02mm-0.03mm之间。

9.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

针阀体(17)的上部中孔(47)下方设有一处针阀体中间中孔(50)；针阀体中间中孔(50)与针阀(15)下外圆段(48)下方的导向部(51)为偶件关系，在针阀(15)的导向部(51)设置一个或多个节流孔(12)；这些节流孔(12)的总流量小于喷油器喷孔(45)的总流量。

10.如权利要求1所述的针阀运动速度可控的共轨喷油器，其特征在于，

针阀(15)通过喷油器体(7)内置的针阀预紧弹簧(11)提供预紧力，针阀预紧弹簧(11)的一端支撑在喷油器体(7)内部的台阶端面(41)上，另一端支撑在第三调整垫片(10)上，第三调整垫片(10)支撑在卡片(8)上，卡片(8)支撑在针阀(15)上的卡口(42)处；

针阀(15)下外圆段(48)上设有油槽(43)。