CN107131077B - 一种旁通式带浮动阀座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带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀，通过浮动阀座结构，避免由于燃气喷射阀内外压力不平衡导致的反向泄漏，保证了燃气喷射阀工作的可靠性；通过旁通结构和导流腔结构实现进气和导流过程；通过压电执行器的控制实现阀芯的控制，气路的控制，实现燃气阀喷气的功能；通过外导向结构与压力平衡孔、压力平衡槽相配合，保证阀芯的垂直度，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

一种旁通式带浮动阀座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。天然气发动机作为船舶动力，特别作为内河船的推进动力具有很好的应用前景。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经济性与排放性能。目前，天然气发动机在全工况状态下工作时常有燃气量供应不足的情况，导致发动机全工况运行时的转速不稳现象，在大功率发动机上会更加严重，这严重影响着发动机的正常使用和发动机的性能。在发动机工况恶劣的情况下，喷射阀容易出现反向泄漏的情况。同时，为了实现更灵活的喷气控制。因此，需要设计一种具有防反向泄漏功能且可变升程的喷射阀。同时，需要开发响应速度快、控制精度高、可靠性好的大流量燃气喷射阀，使其流通能力能满足天然气发动机在高负荷状态下正常工作需求。

发明内容

本发明的目的在于提供响应速度快、控制精度高、可靠性高、气压稳定、高效密封、大流量、具有防反向泄漏功能的一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：包括阀体、浮动阀座、阀杆、压电晶体、液力放大器、隔板、阀芯组合体，阀体上固定有固定块，固定块中部开有直槽，压电晶体安装在直槽里，阀体中部设置隔板，隔板上方设置液力放大器，隔板下方设置阀芯组合体，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，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分相通，阀芯上设置密封环带和肋片，阀芯上表面开设轴向主气槽，密封环带形成环腔，肋片上开有周向补气孔，隔板上分别设置通孔和通气孔，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；所述浮动阀座包括导向基座、阀座，导向基座固定在阀体里，阀座位于阀芯下方，导向基座内圈设置有T形结构，阀座外圈通过设置与其配合的T形结构安装在导向基座里，阀座复位弹簧的两端分别固定在阀座和阀芯上，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。

本发明还可以包括：

1、在阀座和导向基座之间设置两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座和导向基座连接处上方安装可变形密封圈，可变形密封圈内沿上方加装压紧垫圈，第二重防漏气结构是在阀座和导向基座的T形结构连接处设置两层密封胶圈，在阀座和导向基座之间的T形结构连接处设置弹性垫圈。

2、阀体上设置进气口，进气口位于阀体向外伸出的部分，进气口下方形成导流腔，进气口、导流腔相通；

气体由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔流入充满阀体内部，压电晶体通电后，压电晶体受到电流激励从而伸长，大活塞随之向下运动，液压油压力升高，液力放大器上的小活塞向上运动，圆环盘带动阀杆亦向上运动，在卡簧的固定作用下，带动阀芯组合体向上运动，气路开启，燃气阀开启，气体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，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，液压油压力下降，在主复位弹簧的作用下，圆环盘、小活塞向下运动，阀杆、阀芯组合体随之向下运动，直至液力放大器内压力回到初始状态，大活塞、小活塞回到初始位置，阀芯组合体回到初始位置，燃气阀关闭。

本发明的优势在于：本发明采用带浮动阀座的结构，其能够有效防止燃气喷射阀出现反向泄漏的情况并具有减震的功能，保证了燃气喷射阀工作的可靠性及安全性；通过旁通结构和导流腔结构实现进气和导流过程；通过压电执行器的控制实现阀芯的控制，气路的控制，实现燃气阀喷气的功能；通过外导向结构与压力平衡孔、压力平衡槽相配合，保证阀芯的垂直度，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为阀芯结构俯视图；

图5为阀芯结构三维结构图；

图6为浮动阀座结构放大图；

图7为浮动阀座受力图。

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1-7，图1为本发明旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀的整体结构示意图，主要由压电执行器3、主复位弹簧11、辅复位弹簧4、阀芯组合体18、阀体1和浮动阀座20组成。压电执行器3通过固定螺栓12固定在阀体1上，在压电执行器3下方自上而下依次布置有阀芯组合体18、浮动阀座20。

如图2所示，一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀的阀芯组合体18主要由衔铁21、弹簧座22、紧固螺栓29、垫片27、底板23和阀芯24组成，衔铁21通过紧固螺栓29与底板23、阀芯24连接在一起，衔铁21与底板23之间布置有一层垫片27，弹簧座22安装在底板23的上方，其内部的侧表面与衔铁21的侧表面相接触，主复位弹簧11的两端分别位于隔板17与弹簧座22的环形槽内，衔铁11中心开有压力平衡孔26，底板23上开有一定数量的压力平衡槽28，避免衔铁21受到轴向力，使衔铁21处内外气路压力更易达到平衡，提高衔铁21响应速度。衔铁11中心处的压力平衡孔26配合底板23上的压力平衡槽28使得阀芯组合体18内部空间与外部空间连通，内外气路达到平衡，阀芯组合体18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，阀芯24由阀芯主体、肋片31和密封环带25组成。阀芯组合体18整体布置在压电执行器下方。

压电执行器3由压电晶体2、液力放大器、压电晶体复位弹簧4、圆盘6、阀杆9组成，其中液力放大器由大活塞5、大活塞支撑弹簧13、小活塞14、小活塞支撑弹簧15和套筒8组成，液力放大器布置在阀体1上的隔板17上方，套筒8内布满一定压力的燃油，大活塞5、小活塞14与套筒8之间的配合面均设有密封环7实现密封；压电晶体2与液力放大器中的大活塞5上表面相接触，利用大活塞支撑弹簧13使二者紧密贴合，二者布置于圆盘6中心所开的圆孔内，液力放大器中的小活塞14对称布置有四个，利用小活塞支撑弹簧15使其与圆盘6紧密贴合，圆盘6两侧开有螺纹孔，与阀杆9实现螺纹连接，阀杆9下方通过卡簧10与衔铁21固定在一起。

如图3所示，首先，燃气由进气口32垂直流入阀体1内，沿着进气口25流入充满阀体1内部。燃气喷射阀工作过程中，在压电晶体2未通电时，在主复位弹簧11的预紧力作用下，阀芯组合体18在初始位置维持不动，阀芯组合体18中的阀芯24的密封环带25的下表面与阀座41的出气环带19的上表面紧密贴合，此时出气环带19与阀体1内部空间尚未连通，燃气充满燃气喷射阀的阀体1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，大活塞5随之向下运动，液力放大器的套筒8中的液体受到压缩，压力升高，在液体压力的作用下，液力放大器上的小活塞14向上运动，圆盘6受到四个小活塞14的向上作用力，随之一同平稳的向上运动，由于螺纹的连接作用，阀杆9亦向上运动，最终在卡簧10的固定作用下，带动阀芯组合体4向上运动。整个运动过程中，衔铁8的轴向运动与周向定位均由阀座41上的4个导向块21与阀芯24之间的配合来控制实现。此时，气路开启，燃气阀开启，气体迅速由轴向主气槽37和周向补气孔35的混合进气方式流入，通过多道环腔34，最后由出气口36垂直流出；压电晶体2断电，压电晶体2开始缩短，在大活塞支撑弹簧13的作用下，大活塞5开始回到初始位置，液力放大器中的套筒8内液体压力下降，在主复位弹簧11的作用下，圆盘6、小活塞14开始向下运动，阀杆9、阀芯组合体4随之向下运动，直至液力放大器内压力回到初始状态，大小活塞回到初始位置，此时阀芯组合体4也对应的回到初始位置，燃气阀关闭。

如图6所示，为了防止燃气反向泄漏，提高燃气喷射阀的可靠性和安全性，本发明采用了浮动阀座20结构。浮动阀座20可以在燃气阀外部气压高与内部气压时将燃气阀锁死，有效地防止了燃气的反向泄漏。浮动阀座20由7部分组成：导向基座39、阀座41、阀座复位弹簧45、密封胶圈40、压紧垫圈38、可变形密封圈43、弹性垫圈44。导向基座39与阀体1是一体式结构，阀座41安装在导向基座39上。导向基座39内圈带有T形结构，与阀座41外圈的T形结构相配合。阀座复位弹簧45两端分别固定在阀座41和阀芯24上，并保持一定的预紧力。

为了防止阀座41和导向基座39之间漏气，在阀座41和导向基座39之间加装了两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座41和导向基座39连接处上方安装可变形密封圈43，可变形密封圈43内外沿上方均加装压紧垫圈38，通过螺丝42固定在阀座41上，压紧垫圈38保证受力均匀，增强密封性。可变形密封圈43的材料采用可变形的软塑料，保证其不影响阀座41的运动。第二重密封是在阀座41和导向基座39的T形连接处加装了两层密封胶圈40，进一步增强密封性。在阀座41和导向基座39之间的T形连接处加装了一层弹性垫圈44，减少接触时的振动冲击力，起到了减震的作用。有效地增加了燃气阀的可靠性。

阀座41受阀座复位弹簧45弹力F4、燃气阀外部气体压力F1和F2、燃气阀内部燃气压力F3和阀芯24压紧力的作用。阀芯24受复位弹簧弹力作用。当燃气阀下方气压大于燃气阀内部气压，燃气阀外部气体压力F1、F2分别作用在阀座41下方及出气环带19处，阀座41下方接触面积远大于出气环带19，因此，F1远大于F2，在外部气体压力扩大到导致阀芯24向上运动之前，外部气体压力F1、F2克服复位弹簧7的弹簧预紧力，阀座41连同阀芯24一起向上运动。阀座41向上运动直到弹簧座14与隔板17相接触。此时即使压电晶体2通电，阀芯24也无法向上运动，燃气阀无法开启。燃气阀锁死。

当燃气阀内外气压恢复正常时，阀座41在阀座复位弹簧45的作用下向下运动回到原位。如果此时压电晶体2通电，阀芯24仍保持不动，燃气阀正常开启。想要关闭燃气阀时压电晶体2断电，阀芯24在复位弹簧7的作用下向下运动，燃气阀关闭。如果此时压电晶体2未通电，阀座41与阀芯24一起在复位弹簧7的作用下向下运动回到原位，燃气阀保持关闭。想要开启燃气阀时，压电晶体2通电，阀芯24向上运动，燃气阀正常开启。

由上述工作过程可知，本发明旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀采用带浮动阀座20的结构，其能够在喷射阀内外气压异常的情况下有效防止燃气喷射阀出现反向泄漏的情况并具有减震的功能，保证了燃气喷射阀工作的可靠性及安全性；通过旁通结构和进气口25结构实现进气和导流过程；通过执行器的控制实现阀芯24的控制，气路的控制，实现喷气功能；通过外导向结构保证阀芯24的垂直度；通过在衔铁21中心开压力平衡孔26并在底板23上开有一定数量的压力平衡槽28，避免衔铁21受到轴向力，使衔铁21处内外气路压力更易达到平衡，提高衔铁21响应速度；在阀芯24的肋上开多个周向补气孔35的结构，阀芯24下表面和阀座41上表面开有多道环腔34，增加有效流通面积，减少阀芯24和阀座41的质量，提高可靠性；在阀芯24周向补气孔35处设置一定角度的导流锥角30，减少流动损失，增大流量系数；本发明采用轴向主气槽37直接进气和周向补气孔35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24和阀座41间采用多道密封环带25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。

本发明的技术方案：一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀，它主要由压电执行器、复位弹簧、阀芯组合体、阀体和浮动阀座组成。压电执行器由压电晶体、液力放大器、复位弹簧、圆盘、阀杆组成，其中液力放大器由大活塞、大活塞支撑弹簧、小活塞、小活塞支撑弹簧和套筒组成，液力放大器布置在阀体上的隔板上方，套筒内布满一定压力的燃油，大活塞、小活塞与套筒之间的配合面均设有密封环7实现密封；压电晶体与液力放大器中的大活塞上表面相接触，利用大活塞支撑弹簧使二者紧密贴合，二者布置于圆盘中心所开的圆孔内，液力放大器中的小活塞对称布置有四个，利用小活塞支撑弹簧使其与圆盘紧密贴合，圆盘两侧开有螺纹孔，与阀杆实现螺纹连接，阀杆下方通过卡簧与衔铁固定在一起。压电执行器通过固定螺栓固定在阀体上，在压电执行器下方自上而下依次布置有阀芯组合体、浮动阀座。阀芯组合体由衔铁、弹簧座、垫片、底板、卡簧、紧固螺栓和阀芯组成，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，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，复位弹簧的两端分别位于隔板与弹簧座的环形槽内，衔铁中心开有压力平衡孔，底板上开有一定数量的压力平衡槽。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压电执行器下方，在阀芯的肋片上开周向补气孔并在周向补气孔处设置导流锥角，阀芯和浮动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。阀芯周向固定在阀座上的4个导向块上，保证其垂直度，阀芯上下运动由弹簧座与隔板之间的距离进行限位。浮动阀座由导向基座、阀座、和阀座复位弹簧、密封胶圈、压紧垫圈、可变形密封圈、弹性垫圈组成。导向基座与阀体是一体的，阀座安装在导向基座上。导向基座内圈带有T形结构，与阀座外圈的T形结构相配合。阀座复位弹簧两端分别固定在阀座和阀芯上，并保持一定的预紧力。在阀座和导向基座之间加装了两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座和导向基座连接处上方安装可变形密封圈，可变形密封圈内外沿上方加装压紧垫圈，通过螺丝固定在阀座上。可变形密封圈的材料采用可变形的软塑料，保证其不影响阀座的运动。第二重密封是在阀座和导向基座的T形连接处加装了两层密封胶圈。

Claims (3)

1.一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：包括阀体、浮动阀座、阀杆、压电晶体、液力放大器、隔板、阀芯组合体，阀体上固定有固定块，固定块中部开有直槽，压电晶体安装在直槽里，阀体中部设置隔板，隔板上方设置液力放大器，隔板下方设置阀芯组合体，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，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分相通，阀芯上设置密封环带和肋片，阀芯上表面开设轴向主气槽，密封环带形成环腔，肋片上开有周向补气孔，隔板上分别设置通孔和通气孔，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；所述浮动阀座包括导向基座、阀座，导向基座固定在阀体里，阀座位于阀芯下方，导向基座内圈设置有T形结构，阀座外圈通过设置与其配合的T形结构安装在导向基座里，阀座复位弹簧的两端分别固定在阀座和阀芯上，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。

2.根据权利要求1所述的一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：在阀座和导向基座之间设置两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座和导向基座连接处上方安装可变形密封圈，可变形密封圈内沿上方加装压紧垫圈，第二重防漏气结构是在阀座和导向基座的T形结构连接处设置两层密封胶圈，在阀座和导向基座之间的T形结构连接处设置弹性垫圈。

3.根据权利要求1或2所述的一种旁通式带浮动阀座的压电式外导向燃气喷射阀，其特征是：阀体上设置进气口，进气口位于阀体向外伸出的部分，进气口下方形成导流腔，进气口、导流腔相通；

气体由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔流入充满阀体内部，压电晶体通电后，压电晶体受到电流激励从而伸长，大活塞随之向下运动，液压油压力升高，液力放大器上的小活塞向上运动，圆环盘带动阀杆亦向上运动，在卡簧的固定作用下，带动阀芯组合体向上运动，气路开启，燃气阀开启，气体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，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，液压油压力下降，在主复位弹簧的作用下，圆环盘、小活塞向下运动，阀杆、阀芯组合体随之向下运动，直至液力放大器内压力回到初始状态，大活塞、小活塞回到初始位置，阀芯组合体回到初始位置，燃气阀关闭。

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