CN107061057B - 一种旁通式混合进气的压电式内导向燃气喷射阀 - 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内导向燃气喷射阀，利用压电晶体通电伸长，经由液力放大器放大位移后推动阀芯组合体的导向销运动，阀芯组合体整体在导向销与隔板之间配合面的内导向作用下离开阀座运动，实现燃气阀喷气的功能；通过旁通结构和导流腔结构实现进气和导流过程；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。

Description

一种旁通式混合进气的压电式内导向燃气喷射阀

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

近年来，随着我国石油消耗的快速增长，石油严重依赖进口。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内导向燃气喷射阀。

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内导向燃气喷射阀，其特征是：包括阀体、阀座、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，隔板上分别设置通孔，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，套筒上端的端部设置粗出口，套筒上端端部内侧设置细出口，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，导向销穿过隔板的通孔，导向销的上方设置控制阀杆，导向销与控制阀杆之间设置导向销复位弹簧，控制阀杆的上表面与压电晶体贴合在一起，控制阀杆的下表面与大活塞上表面贴合在一起，小活塞上表面与导向销贴合在一起，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，衔铁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，导向销与衔铁相固定，导向销里设置压力平衡孔，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，密封环带形成环腔，阀座上设置出气环带，出气环带位于环腔下方,出气环带下方设置出气口，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；

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，导向销亦向上运动，带动阀芯组合体向上运动，燃气喷射阀开启，气路开启，直到套筒内的液压油压力回到初始状态，大活塞和小活塞不再运动，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，在导向销复位弹簧的作用下，导向销向下运动，小活塞、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推动阀芯组合体的导向销运动，阀芯组合体整体在导向销与隔板之间配合面的内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；通过内导向结构保证阀芯的垂直度；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内导向燃气喷射阀的整体结构示意图，包括1固定块、2压电晶体、3控制阀杆、4大活塞、5大活塞支撑弹簧、6密封环、7套筒、8阀芯组合体、10阀体、11阀座、14导向销复位弹簧、15小活塞、16小活塞支撑弹簧、18隔板和20密封胶圈。固定块1利用固定螺栓12固定在阀体10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10外控制单元的接电线，压电晶体2下方紧密布置有控制阀杆3，控制阀杆3的下表面与大活塞4上表面相接触，在导向销复位弹簧14、大活塞支撑弹簧5的预紧力作用下，压电晶体2下表面与控制阀杆3上表面、控制阀杆3下表面与大活塞4上表面均紧密贴合在一起，套筒7上端为两出口，分别是一粗出口和一细出口，下端为一连通的封闭腔，大活塞4的下端布置在套筒7的粗出口内，大活塞支撑弹簧5位于大活塞4凸缘与套筒7之间，保证大活塞4不会整体进入套筒内，套筒7内充满了具有一定压力的液压油17，套筒7的细出口上方布置有小活塞15，小活塞15下端布置在其中，在小活塞15凸缘与套筒7之间布置有小活塞支撑弹簧16，以保证小活塞15不会整体进入套筒内，大活塞4、小活塞15侧表面与套筒7内壁之间布置有密封环6，以防止套筒7内液压油17的泄漏，大活塞4、小活塞15、大活塞支撑弹簧5、小活塞支撑弹簧16与套筒7一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10中隔板18的上方，控制阀杆3中心位置下方从上到下依次布置有阀芯组合体8、阀座11，在小活塞支撑弹簧16的预紧力作用下，小活塞15上表面与阀芯组合体8的上端紧密贴合，阀座11与阀体10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20来实现密封。

如图2所示，一种旁通式混合进气的压电式内导向燃气喷射阀的阀芯组合体8由导向销21、衔铁22、弹簧座23、底板24、阀芯25、衔铁复位弹簧29、垫片30和紧固螺栓32组成，为保证导向销21平稳地运动，多个小活塞15对称布置在导向销21下方，个数为偶数数目，在小活塞支撑弹簧16的作用下，小活塞15上表面与阀芯组合体8中的导向销21下表面紧密贴合，导向销21中心开有压力平衡孔28，布置在隔板18中心的通孔内，导向销21下端通过螺纹连接与衔铁22固定在一起，衔铁22通过紧固螺栓32与底板24、阀芯25连接在一起，衔铁22与底板24之间布置有一层垫片30，底板24上方开有四个压力平衡槽31，使得阀芯组合体8内部空间与外部空间连通，内外气路压力更易达到平衡，避免其受到额外的轴向力，提高其响应速度，弹簧座23安装在底板24的上方，其内部的侧表面与衔铁22的侧表面相接触，衔铁复位弹簧29的两端分别位于隔板18与弹簧座23的环形槽内，底板24下方的阀芯25由阀芯主体、肋片26和密封环带27组成，阀芯组合体8整体布置在控制阀杆3下方。

如图3所示，首先，燃气经由进气口34垂直流入阀体10内，沿着导流腔35流入充满阀体10内部，充满了阀座11外围处的稳压腔37以及阀芯25的周围空间，由于底板24上的压力平衡槽31的存在，阀芯组合体8内部空间与阀体10内空间连通，一部分燃气会流入到阀芯组合体8内部空间，随即充满了阀芯组合体8内部空间以及阀座11中心处的稳压腔37，由于导向销21上压力平衡孔28的存在，燃气会流入阀芯组合体8上方空间，同样充满阀芯组合体8上方空间，内外气路达到平衡，保证阀芯组合体8内外无压力差，避免其受到额外的轴向力。压电晶体2未通电时，阀芯25表面与阀座11表面相贴合，阀芯25与阀座11间的环腔不连通；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8向上运动，阀芯25下表面脱离阀座11上表面，此时，气路开启，燃气迅速由轴向主气槽40和周向补气孔36的混合进气方式流入，通过阀芯25与阀座11间多道环腔38，最后由出气口39垂直流出，阀芯25的抬起与落座控制着环腔38之间的通断。

燃气喷射阀工作过程中，压电晶体2未通电时，在导向销复位弹簧14、衔铁复位弹簧29的预紧力作用下，阀芯组合体8在初始位置维持不动，阀芯组合体8中的阀芯25上的密封环带27与阀座11的上的出气环带19紧密配合，阀芯25与阀座11间的环腔不连通，燃气充满燃气喷射阀的阀体10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，使得控制阀杆3向下运动，大活塞4随之向下运动，套筒7内的液压油17压力升高，在液压油17压力的作用下，小活塞15向上运动，导向销21受到四个小活塞15向上的作用力后，平稳地向上运动，导向销21作为阀芯组合体8的一部分，阀芯组合体8整体随之向上运动，直到套筒7内的液压油17压力回到初始状态，大活塞4、小活塞15停止运动，阀芯组合体8随之停止运动，阀芯组合体8在该位置维持一段时间，此过程中，燃气迅速由轴向主气槽40和周向补气孔36的混合进气方式流入，通过阀芯25与阀座11间的多道环腔38，最后经由出气口39导向后垂直流出，阀芯25和阀座11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11中心位置和外围处均开有稳压腔37，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5的作用下，大活塞4开始向上运动，套筒7内液压油17压力下降，在导向销复位弹簧14的作用下，导向销21开始向下运动，小活塞15、阀芯组合体8整体随之一同向下运动，直至套筒7内液压油17压力回到初始状态，大活塞4、小活塞15回到初始位置，此时阀芯组合体8也对应的回到初始位置，阀芯25下表面与阀座11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内导向燃气喷射阀，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推动阀芯组合体8的导向销21运动，阀芯组合体8整体在导向销21与隔板18之间配合面的内导向作用下离开阀座11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35结构实现进气和导流过程；通过内导向结构保证阀芯25的垂直度；通过在导向销21中心开压力平衡孔28并在底板24上开有一定数量的压力平衡槽31，使阀芯组合体8处内外气路压力更易达到平衡，避免阀芯组合体8受到轴向力，提高其响应速度，降低控制难度；在阀芯25的肋片26上开多个周向补气孔36的结构，阀芯25下表面和阀座11上表面开有多道环腔38，增加有效流通面积，减少阀芯25质量，提高可靠性；在阀芯25的周向补气孔36处设置一定角度的导流锥角33，减少流动损失，增大流量系数；本发明采用轴向主气槽40直接进气和周向补气孔36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25和阀座11间采用多道密封环带27和出气环带19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11中心和外围处均设置稳压腔37，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内导向燃气喷射阀，它主要由阀体、压电晶体、固定块、控制阀杆、大活塞、大活塞支撑弹簧、密封环、套筒、导向销复位弹簧、小活塞、小活塞支撑弹簧、隔板、阀芯组合体、密封胶圈和阀座组成。其特征是：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，压电晶体下方紧密布置有控制阀杆，控制阀杆的下表面与大活塞上表面相接触，在导向销复位弹簧、大活塞支撑弹簧的预紧力作用下，压电晶体下表面与控制阀杆上表面、控制阀杆下表面与大活塞上表面均紧密贴合在一起，套筒上端为两出口，分别是一粗出口和一细出口，下端为一连通的封闭腔，大活塞的下端布置在套筒的粗出口内，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，控制阀杆中心位置下方从上到下依次布置有阀芯组合体、阀座，在小活塞支撑弹簧的预紧力作用下，小活塞上表面与阀芯组合体的上端紧密贴合，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导向销、衔铁、衔铁复位弹簧、弹簧座、垫片、底板、紧固螺栓和阀芯组成，为保证导向销平稳地运动，多个小活塞对称布置在导向销下方，个数为偶数数目，在小活塞支撑弹簧的作用下，小活塞上表面与阀芯组合体中的导向销下表面紧密贴合，导向销中心开有压力平衡孔，布置在隔板中心的通孔内，导向销下端通过螺纹连接与衔铁固定在一起，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，底板上方开有四个压力平衡槽，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位于隔板与弹簧座的环形槽内，底板下方的阀芯由阀芯主体、肋片、密封环带组成，阀芯组合体整体布置在控制阀杆下方，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内导向燃气喷射阀，其特征是：包括阀体、阀座、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，隔板上分别设置通孔，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，套筒上端的端部设置粗出口，套筒上端端部内侧设置细出口，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，导向销穿过隔板的通孔，导向销的上方设置控制阀杆，导向销与控制阀杆之间设置导向销复位弹簧，控制阀杆的上表面与压电晶体贴合在一起，控制阀杆的下表面与大活塞上表面贴合在一起，小活塞上表面与导向销贴合在一起，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，衔铁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，导向销与衔铁相固定，导向销里设置压力平衡孔，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，密封环带形成环腔，阀座上设置出气环带，出气环带位于环腔下方,出气环带下方设置出气口，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内导向燃气喷射阀，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内导向燃气喷射阀，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；

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，导向销亦向上运动，带动阀芯组合体向上运动，燃气喷射阀开启，气路开启，直到套筒内的液压油压力回到初始状态，大活塞和小活塞不再运动，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，在导向销复位弹簧的作用下，导向销向下运动，小活塞、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。