CN107061056B - 一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，利用压电晶体通电伸长，经由液力放大器放大位移后，对称布置的小活塞推动圆环盘平稳地向上运动，圆环盘通过阀杆带动阀芯组合体整体在外侧的导向块的外导向作用下离开阀座运动，实现燃气阀喷气的功能；通过压力平衡孔、压力平衡槽及稳压腔相配合，能够有效抑制燃气喷射阀内部燃气压力的波动，实现气流的稳定工作，可靠工作，实现高响应速度；通过轴向主气槽直接进气和周向补气孔进气的混合进气方式，实现大流量，有效地提高发动机的供气效率，同时可以避免气流干涉，实现气路的稳定；通过阀芯和阀座间的多道环带结构，实现燃气喷射阀的面密封，高可靠性。

Description

一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀

技术领域

本发明涉及的是一种燃气喷射阀，具体地说是天然气发动机燃气喷射阀。

背景技术

天然气燃烧清洁并且在我国储量丰富，使其成为最有可能替代柴油的燃料。在内燃机行业中，节能减排作为内燃机发展的必然趋势，应用天然气作为主燃料的内燃机在保证动力性的前提下，可大幅地降低排放污染情况，应用天然气为燃料的内燃机近年来已然成为行业内的研究热点。作为天然气发动机的燃料供给装置，燃气喷射阀的性能直接决定天然气发动机的特性。目前来看，在燃气喷射阀的实际工作过程中，燃气喷射阀喷气控制的灵活性、所喷燃气压力的稳定性及控制精度等特性均会对内燃机性能造成影响，依照内燃机转速的不同，燃气喷射阀的响应时间一般在几毫秒到几十毫秒之间，即燃气喷射阀需具备高的响应速度以满足其迅速开关的要求，与此同时，燃气喷射阀还需具备尽量大的出气横截面积，以保证内燃机获得充足的燃气量。因此，开发升程可变、气压稳定、控制精度高、响应速度快、可靠性高的大流量燃气喷射阀，是目前天然气发动机燃气喷射阀发展的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供升程可变、响应速度快、控制精度高、可靠性高、喷气压力稳定、高效密封、大流量的一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：包括阀体、阀座、阀杆、压电晶体、液力放大器、隔板、阀芯组合体，阀体上方固定有固定块，固定块中部开有直槽，压电晶体安装在直槽里，阀体固定在阀座上，阀体里设置隔板，液力放大器设置隔板上方，阀芯组合体设置在隔板下方，隔板下方的阀体与阀座之间形成阀空间，所述液力放大器包括大活塞、小活塞、套筒，套筒设置在隔板上，套筒上端的中心为粗出口，套筒上端的端部为细出口，大活塞设置在粗出口里，小活塞设置在细出口里，大活塞的凸缘与套筒之间设置大活塞支撑弹簧，小活塞的凸缘与套筒之间设置小活塞支撑弹簧，大活塞、小活塞下方的套筒里充有液压油，大活塞上表面与压电晶体下表面贴合在一起，大活塞外部设置圆环盘，小活塞上表面与圆环盘下表面贴合，圆环盘和固定块里均设置凹槽，复位弹簧的两端分别布置在圆环盘和固定块的凹槽里，所述的阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯，衔铁、底板、阀芯自上而下布置同时通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座位于衔铁外部并与衔铁之间形成环形槽，隔板下表面设置环形槽，复位弹簧的两端分别布置在隔板的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，阀芯下方的阀座上设置中心稳压腔，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分以及中心稳压腔相通并构成内部空间，阀芯上设置密封环带和肋片，密封环带形成环腔，阀座上设置出气环带和导向块，导向块位于阀芯周围，出气环带位于环腔下方，出气环带下方设置出气口，隔板上设置通孔，阀杆的中部穿过通孔，阀杆的上部与圆环盘相连，阀杆的下方通过卡簧与衔铁固定在一起，阀芯上表面开设轴向主气槽，肋片上开有周向补气孔，并在补气孔处设置导流锥角。

本发明还可以包括：

1、阀座的外端设置端部稳压腔。

2、阀体上设置伸出部分，伸出部分设置进气口，进气口下方的阀体里设置导流腔，进气口、导流腔相通并构成外部空间，外部空间与内部空间相通，阀芯上设置轴向进气孔；

燃气经由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔垂直流动，充满阀座外端的端部稳压腔以及阀芯的周围空间，一部分燃气流入到阀芯组合体内部空间及阀座中心稳压腔；

压电晶体未通电时，阀芯上的密封环带与阀座的上表面紧密配合，燃气充满燃气喷射阀的阀体内部的外部空间和内部空间；压电晶体通电后，压电晶体受到电流激励从而伸长，推动大活塞向下运动，套筒中的液压油受到压缩，在液压油压力的作用下，小活塞向上运动，阀杆亦向上运动，在卡簧的固定作用下，带动阀芯组合体向上运动，直到套筒内的液压油压力回到初始状态，小活塞不再运动，阀芯组合体随之停止，燃气由轴向主气槽和周向补气孔的混合进气方式流入，通过环腔，最后由出气口垂直流出；压电晶体断电后，压电晶体缩短，在大活塞支撑弹簧的作用下，大活塞回到初始位置，套筒内液压油压力下降，在复位弹簧的作用下，圆环盘、小活塞向下运动，阀杆、阀芯组合体随之向下运动，直至套筒内液压油压力回到初始状态，大活塞、小活塞回到初始位置，阀芯组合体回到初始位置，阀芯表面与阀座表面贴合，燃气喷射阀关闭，气路关闭。

本发明的优势在于：本发明利用压电晶体通电伸长，经由液力放大器放大位移后，对称布置的小活塞推动圆环盘平稳地向上运动，圆环盘通过阀杆带动阀芯组合体整体在外侧的导向块的外导向作用下离开阀座运动，实现燃气阀喷气的功能；本发明采用压电晶体驱动的方式，有效提高了燃气喷射阀的响应速度，实现了燃气喷射阀的升程可变；本发明通过旁通结构和导流腔结构实现进气和导流过程；通过导向块结构实现外导向，保证阀芯的垂直度；通过压力平衡孔、压力平衡槽及稳压腔相配合，能够有效抑制燃气喷射阀内部燃气压力的波动，实现气流的稳定工作，可靠工作，实现高响应速度；通过轴向主气槽直接进气和周向补气孔进气的混合进气方式，实现大流量，有效地提高发动机的供气效率，同时可以避免气流干涉，实现气路的稳定；通过阀芯和阀座间的多道环带结构，实现燃气喷射阀的面密封，高可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的阀芯组合体结构示意图；

图3为本发明的气路走向示意图；

图4为阀芯三维结构示意图；

图5为阀座结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，图1为本发明一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀的整体结构示意图，包括9阀体、2压电晶体、1固定块、3大活塞、4大活塞支撑弹簧、5密封环、6套筒、13复位弹簧、14圆环盘、15阀杆、16小活塞支撑弹簧、17小活塞、19卡簧、20隔板、7阀芯组合体、22密封胶圈和10阀座，固定块1利用固定螺栓11固定在阀体9上方的中心位置，固定块1在中心位置开有一定深度的直槽，压电晶体2布置在其中，在直槽上方开有一直径较小的通孔，用于布置压电晶体2与阀体9外控制单元的接电线，压电晶体2下表面与大活塞3上表面相接触，在大活塞支撑弹簧4的预紧力作用下，压电晶体2下表面与大活塞3上表面紧密贴合在一起，套筒6上端为多出口，中心出口为粗出口，周围出口为细出口，对称布置在圆环盘14的下方，下端为一连通的封闭腔，大活塞3的下端布置在套筒6中心的粗出口内，大活塞支撑弹簧4位于大活塞3凸缘与套筒6之间，保证大活塞3不会整体进入套筒6内，套筒6内充满了具有一定压力的液压油18，套筒6两端的细出口上方布置有小活塞17，小活塞17下端布置在其中，在小活塞17凸缘与套筒6之间布置有小活塞支撑弹簧16，以保证小活塞17不会整体进入套筒6内，大活塞3、小活塞17侧表面与套筒6内壁之间布置有密封环5，以防止套筒6内液压油18的泄漏，大活塞3、小活塞17、大活塞支撑弹簧4、小活塞支撑弹簧16与套筒6一同构成了压电晶体的液力放大器，液力放大器作为一个整体布置在阀体9中隔板20的上方，在小活塞支撑弹簧16的预紧力作用下，小活塞17上表面与圆环盘14下表面紧密贴合，复位弹簧13的两端分别布置在固定块1与圆环盘14上的凹槽内，圆环盘14的两端开有圆孔，孔内开有螺纹，利用螺纹将圆环盘14与阀杆15连接在一起，阀杆15布置在隔板20中的通孔内，其下端利用卡簧19与阀芯组合体7上端固定在一起，在隔板20下方由上到下依次布置有阀芯组合体7、阀座10，阀座10与阀体9之间通过螺栓固定连接在一起，二者之间的配合面通过密封胶圈22来实现密封。

如图2所示，一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀的阀芯组合体7由衔铁24、弹簧座25、底板26、阀芯27、衔铁复位弹簧31、垫片32和紧固螺栓34组成，衔铁24通过紧固螺栓34与底板26、阀芯27连接在一起，衔铁24与底板26之间布置有一层垫片32，衔铁24上开有压力平衡孔30，底板26上方开有四个压力平衡槽33，衔铁24中心处的压力平衡孔30配合底板26上的压力平衡槽使30得阀芯组合体7内部空间与外部空间连通，内外气路达到平衡，阀芯组合体7的内外燃气无压力差，避免自身在运动时受到额外的轴向力，弹簧座25安装在底板26的上方，其内部的侧表面与衔铁24的侧表面相接触，衔铁复位弹簧31的两端分别布置在隔板20与弹簧座25的环形槽上，阀芯27由阀芯主体、肋片28和密封环带29组成，其周向固定在阀座10上的四个导向块21上，保证自身垂直度，阀芯27运动升程通过弹簧座25与隔板20之间的距离进行限位，阀芯组合体7整体布置在隔板20下方；

如图3所示，首先，燃气经由进气口36垂直流入阀体9内，沿着导流腔37流入充满阀体9内部，充满了阀座10外围处的稳压腔39以及阀芯27的周围空间，由于衔铁24上压力平衡孔30和底板26上的压力平衡槽33的存在，阀芯组合体7内部空间与阀体9内空间连通，一部分燃气会流入到阀芯组合体7内部空间，随即充满了阀芯组合体7内部空间以及阀座10中心处的稳压腔39，保证阀芯组合体7内外气路平衡无压力差，避免其受到额外的轴向力。压电晶体2未通电时，阀芯27下表面与阀座10上表面相贴合，阀芯27与阀座10间的环腔40不连通；压电晶体2通电后，压电晶体2伸长，经液力放大器放大后带动阀芯组合体7向上运动，阀芯27下表面脱离阀座10上表面，此时，气路开启，燃气迅速由轴向主气槽42和周向补气孔38的混合进气方式流入，通过阀芯27与阀座10间多道环腔40，最后由出气口41垂直流出，阀芯27的抬起与落座控制着环腔40之间的通断。

燃气喷射阀工作过程中，压电晶体2未通电时，在衔铁复位弹簧31的作用下，阀芯组合体7在初始位置维持不动，阀芯组合体7中的阀芯27上的密封环带29与阀座10的上的出气环带23紧密配合，阀芯27与阀座10间的环腔40不连通，燃气充满燃气喷射阀的阀体9内部的整个空间。压电晶体2通电后，压电晶体2受到电流激励从而伸长，推动大活塞3向下运动，套筒6中的液压油18受到压缩，压力升高，在液压油18压力的作用下，套筒6内细出口上的小活塞17向上运动，小活塞17对称分布在圆环盘14的下方，平稳地推动圆环盘14向上运动，由于螺纹的连接作用，阀杆15亦向上运动，最终在卡簧19的固定作用下，带动阀芯组合体7向上运动，在阀芯组合体7的运动过程中，通过导向块21实现外导向，直到套筒6内的液压油18压力回到初始状态，小活塞17不再运动，阀芯组合体7随之停止，阀芯组合体7在该位置维持一段时间，此过程中，燃气迅速由轴向主气槽42和周向补气孔38的混合进气方式流入，通过阀芯27与阀座10间的多道环腔40，最后经由出气口41导向后垂直流出，阀芯27和阀座10间的多道环带，面密封，稳压平衡，并且较宽的环带面积可减少冲击，提高可靠性，阀座10中心位置和外围处均开有稳压腔39，使得周围的燃气在流动过程中通气均匀，气压平衡；燃气喷出一定量后，压电晶体2开始断电，压电晶体2缩短，在大活塞支撑弹簧4的作用下，大活塞3开始回到初始位置，套筒6内液压油18压力下降，在复位弹簧13的作用下，圆环盘14、小活塞17开始向下运动，阀杆15、阀芯组合体7随之向下运动，直至套筒6内液压油18压力回到初始状态，大活塞3、小活塞17回到初始位置，此时阀芯组合体7也对应的回到初始位置，阀芯27下表面与阀座10上表面贴合，重新回到初始位置，燃气喷射阀关闭，气路关闭。

由上述工作过程可知，本发明一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，在工作过程中，利用压电晶体2通电伸长，经由液力放大器放大位移后，对称布置的小活塞17推动圆环盘14平稳地向上运动，圆环盘14通过阀杆15带动阀芯组合体7整体在外侧的导向块21的外导向作用下离开阀座10运动，实现燃气阀喷气的功能；本发明采用压电晶体2驱动的方式，有效提高了燃气喷射阀的响应速度，实现了燃气喷射阀的升程可变；本发明通过旁通结构和导流腔37结构实现进气和导流过程；通过导向块21结构实现外导向，保证阀芯27的垂直度；通过在衔铁24中心开压力平衡孔30并在底板26上开有一定数量的压力平衡槽33，使阀芯组合体7处内外气路压力更易达到平衡，避免阀芯组合体7受到轴向力，提高其响应速度，降低控制难度；在阀芯27的肋片28上开多个周向补气孔38的结构，阀芯27下表面和阀座10上表面开有多道环腔40，增加有效流通面积，减少阀芯27质量，提高可靠性；在阀芯27周向补气孔38处设置一定角度的导流锥角35，减少流动损失，增大流量系数；本发明采用轴向主气槽42直接进气和周向补气孔38进气的混合进气方式，增加进气流量系数，实现大流量，有效地提高了燃气喷射阀的供气效率，同时可以避免气流干涉，实现气路的平衡、稳定；阀芯27和阀座10间采用多道密封环带29和出气环带23结构，实现燃气喷射阀的面密封，稳压平衡，并且较宽的环带面积可减少冲击，提高可靠性；在阀座10中心和外围处均设置稳压腔39，能够有效抑制燃气喷射阀内部燃气压力的波动，实现气流的稳定工作，可靠工作，实现高响应速度。

本发明的技术方案：一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，它主要由阀体、压电晶体、固定块、大活塞、大活塞支撑弹簧、密封环、套筒、复位弹簧、圆环盘、阀杆、小活塞支撑弹簧、小活塞、卡簧、隔板、阀芯组合体、密封胶圈和阀座组成。固定块利用固定螺栓固定在阀体上方的中心位置，固定块在中心位置开有一定深度的直槽，压电晶体布置在其中，在直槽上方开有一直径较小的通孔，用于布置压电晶体与阀体外控制单元的接电线，压电晶体下表面与大活塞上表面相接触，在大活塞支撑弹簧的预紧力作用下，压电晶体下表面与大活塞上表面紧密贴合在一起，套筒上端为多出口，中心出口为粗出口，周围出口为细出口，对称布置在圆环盘的下方，下端为一连通的封闭腔，大活塞的下端布置在套筒中心的粗出口内，大活塞支撑弹簧位于大活塞凸缘与套筒之间，保证大活塞不会整体进入套筒内，套筒内充满了具有一定压力的液压油，套筒两端的细出口上方布置有小活塞，小活塞下端布置在其中，在小活塞凸缘与套筒之间布置有小活塞支撑弹簧，以保证小活塞不会整体进入套筒内，大活塞、小活塞侧表面与套筒内壁之间布置有密封环，以防止套筒内液压油的泄漏，大活塞、小活塞、大活塞支撑弹簧、小活塞支撑弹簧与套筒一同构成了压电晶体的液力放大器，液力放大器作为一个整体布置在阀体中隔板的上方，在小活塞支撑弹簧的预紧力作用下，小活塞上表面与圆环盘下表面紧密贴合，复位弹簧的两端分别布置在固定块与圆环盘上的凹槽内，圆环盘的两端开有圆孔，孔内开有螺纹，利用螺纹将圆环盘与阀杆连接在一起，阀杆布置在隔板中的通孔内，其下端利用卡簧与阀芯组合体上端固定在一起，隔板两端还开有直径较大的通气孔，在隔板下方由上到下依次布置有阀芯组合体、阀座，阀座与阀体之间通过螺栓固定连接在一起，二者之间的配合面通过密封胶圈来实现密封，前述的阀芯组合体由衔铁、弹簧座、底板、阀芯、衔铁复位弹簧、垫片和紧固螺栓组成，衔铁通过紧固螺栓与底板、阀芯连接在一起，衔铁与底板之间布置有一层垫片，衔铁上开有压力平衡孔，底板上方开有四个压力平衡槽，衔铁中心处的压力平衡孔配合底板上的压力平衡槽使得阀芯组合体内部空间与外部空间连通，内外气路达到平衡，阀芯组合体的内外燃气无压力差，避免自身在运动时受到额外的轴向力，弹簧座安装在底板的上方，其内部的侧表面与衔铁的侧表面相接触，衔铁复位弹簧的两端分别布置在隔板与弹簧座的环形槽上，阀芯由阀芯主体、肋片、密封环带组成，其周向固定在阀座上的四个导向块上，保证自身垂直度，阀芯运动升程通过弹簧座与隔板之间的距离进行限位，阀芯组合体整体布置在隔板下方；在阀芯的肋片上开周向补气孔并在补气孔处设置导流锥角，阀芯和阀座之间采用密封环带和出气环带，面密封，稳压平衡，并且具有较宽的环带面积，在阀座中心位置和外围处均开有稳压腔，阀座中心位置的稳压腔与阀芯组合体内部的燃气空间相连通，而阀座外围处的稳压腔与阀体内的导流腔相连通。压电晶体未通电时，阀芯下表面与阀座上表面相贴合，阀芯与阀座间的环腔不连通；压电晶体通电后，压电晶体伸长，经液力放大器放大后带动阀芯组合体向上运动，阀芯下表面脱离阀座上表面，此时阀芯与阀座间的环腔相连通，阀芯的抬起与落座控制着环腔之间的通断。

Claims (3)

1.一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：包括阀体、阀座、阀杆、压电晶体、液力放大器、隔板、阀芯组合体，阀体上方固定有固定块，固定块中部开有直槽，压电晶体安装在直槽里，阀体固定在阀座上，阀体里设置隔板，液力放大器设置隔板上方，阀芯组合体设置在隔板下方，隔板下方的阀体与阀座之间形成阀空间，所述液力放大器包括大活塞、小活塞、套筒，套筒设置在隔板上，套筒上端的中心为粗出口，套筒上端的端部为细出口，大活塞设置在粗出口里，小活塞设置在细出口里，大活塞的凸缘与套筒之间设置大活塞支撑弹簧，小活塞的凸缘与套筒之间设置小活塞支撑弹簧，大活塞、小活塞下方的套筒里充有液压油，大活塞上表面与压电晶体下表面贴合在一起，大活塞外部设置圆环盘，小活塞上表面与圆环盘下表面贴合，圆环盘和固定块里均设置凹槽，复位弹簧的两端分别布置在圆环盘和固定块的凹槽里，所述的阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯，衔铁、底板、阀芯自上而下布置同时通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座位于衔铁外部并与衔铁之间形成环形槽，隔板下表面设置环形槽，复位弹簧的两端分别布置在隔板的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，阀芯下方的阀座上设置中心稳压腔，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分以及中心稳压腔相通并构成内部空间，阀芯上设置密封环带和肋片，密封环带形成环腔，阀座上设置出气环带和导向块，导向块位于阀芯周围，出气环带位于环腔下方，出气环带下方设置出气口，隔板上设置通孔，阀杆的中部穿过通孔，阀杆的上部与圆环盘相连，阀杆的下方通过卡簧与衔铁固定在一起，阀芯上表面开设轴向主气槽，肋片上开有周向补气孔，并在补气孔处设置导流锥角。

2.根据权利要求1所述的一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：阀座的外端设置端部稳压腔。

3.根据权利要求1或2所述的一种旁通式混合进气的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：阀体上设置伸出部分，伸出部分设置进气口，进气口下方的阀体里设置导流腔，进气口、导流腔相通并构成外部空间，外部空间与内部空间相通，阀芯上设置轴向进气孔；

燃气经由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔垂直流动，充满阀座外端的端部稳压腔以及阀芯的周围空间，一部分燃气流入到阀芯组合体内部空间及阀座中心稳压腔；

压电晶体未通电时，阀芯上的密封环带与阀座的上表面紧密配合，燃气充满燃气喷射阀的阀体内部的外部空间和内部空间；压电晶体通电后，压电晶体受到电流激励从而伸长，推动大活塞向下运动，套筒中的液压油受到压缩，在液压油压力的作用下，小活塞向上运动，阀杆亦向上运动，在卡簧的固定作用下，带动阀芯组合体向上运动，直到套筒内的液压油压力回到初始状态，小活塞不再运动，阀芯组合体随之停止，燃气由轴向主气槽和周向补气孔的混合进气方式流入，通过环腔，最后由出气口垂直流出；压电晶体断电后，压电晶体缩短，在大活塞支撑弹簧的作用下，大活塞回到初始位置，套筒内液压油压力下降，在复位弹簧的作用下，圆环盘、小活塞向下运动，阀杆、阀芯组合体随之向下运动，直至套筒内液压油压力回到初始状态，大活塞、小活塞回到初始位置，阀芯组合体回到初始位置，阀芯表面与阀座表面贴合，燃气喷射阀关闭，气路关闭。

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