CN108488473B - 先导式压电阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种先导式压电阀，包括先导阀部、上主阀部和下主阀部，先导阀体内腔轴向设置有外阀芯，先导阀盖通过压电陶瓷连接与外阀芯连接，外阀芯内腔中由左至右形成四个腔体，先导阀体侧壁上设置有先导阀进油孔和先导阀回油孔，下方设置有控制口，先导阀进油孔、先导阀回油孔和控制口均与外阀芯的内腔连通；上主阀阀体内腔顶部设置有连接口与控制口连通，连接口的下方设置有活塞、连杆，连杆的下方设置有上主阀密封结构、下主阀密封结构，上主阀密封结构与上主阀阀体内腔底部形成配合；下主阀体的一侧设置有与进油通道连通的主阀进油口，另一侧设置主阀控制口，主阀进油口设置有与下主阀密封结构相匹配的出油口。

Description

先导式压电阀

技术领域

本发明涉及船用柴油机电控压电阀技术领域，具体地指一种先导式压电阀。

背景技术

目前，船用柴油机电控燃油喷射系统对高速大流量电磁(压电)阀有非常高的要求：必须同时满足大流量、高速响应、控制精度高和一致性好等要求；而且，还要能在高压、高温、高湿和振动等恶劣条件下，按系统的控制要求以很高的频率稳定可靠地工作。然而，高速大流量阀的高压大流量和快速响应往往是一对矛盾，大流量的要求需要通过提高阀的阀口流通面积来实现，这就增大了阀的阀芯质量，从而增大了阀芯的运动惯性，降低了压电阀快速响应的特性；而且，压电阀的阀腔内的高压油液也会增加阀芯开启或关闭的阻力，延长了压电阀的响应时间。因此，有必要改进这种结构，使其响应速度和流通能力都能满足电控喷油器燃油喷射控制要求，是船用柴油机电控燃油喷射系统实用化所必须解决的关键技术，同时随着技术的发展双燃料船舶渐渐登上舞台，设计一种高压条件下能同时满足油和气为工作介质的阀有了必要。

中国专利00115916.X公开了双自由内锥阀芯二位三通式电磁阀，该电磁阀虽然具有高速动态响应性能和大流量特性，但实际使用时存在以下问题：由于该电磁阀的外阀芯依靠复位弹簧的弹力复位，而同型号的弹簧很难保证同一精准的弹力，所以这种电磁阀在生产时，很难保证同型号的电磁阀具备相同的响应速度，从而导致该电磁阀的控制精度不高。

中国专利ZL201410111135.5公开了高速大流量自复位电磁阀，该电磁阀虽然具有高速动态响应性能和大流量特性，但实际使用时存在以下问题：由于该电磁阀的外阀芯依靠液压力复位，使得开启电磁阀需要的电磁力很大，触发电流很大，长时间工作发热严重，而且液压力在电磁阀开启和关闭变化复杂，所以这种电磁阀很难具备相同的响应速度，从而导致该电磁阀的控制精度不高。

同时根据现有的压电阀，压电陶瓷通电时位移小的原因，无法实现大流量特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种控制精度高、高速大流量的先导式压电阀。

为实现上述目的，本发明所设计的先导式压电阀，其特殊之处在于，由上至下依次包括先导阀部、上主阀部和下主阀部，所述先导阀部包括先导阀体，所述先导阀体内腔轴向设置有外阀芯，所述先导阀体的前端设置有先导阀盖，所述先导阀盖通过螺纹与压电陶瓷连接，所述压电陶瓷通过螺纹与外阀芯连接，所述外阀芯为管状结构，内腔中由左至右形成四个不同管径的腔体，与第一腔体和第四腔体的相对位置上分别设置有左内锥阀芯和右内锥阀芯，所述先导阀体侧壁上设置有先导阀进油孔和先导阀回油孔，下方设置有控制口，所述先导阀进油孔、先导阀回油孔和控制口均与外阀芯的内腔连通；

所述上主阀部包括中空型腔体结构的上主阀阀体，上主阀阀体内腔顶部设置有连接口与控制口连通，所述连接口的下方设置有活塞，所述活塞的下方设置有连杆，所述连杆的下方设置有上主阀密封结构，所述上主阀密封结构与上主阀阀体内腔底部形成配合，所述上主阀密封结构下方设置有下主阀密封结构，所述上主阀阀体内腔两侧分别设置有与先导阀进油孔连接的进油通道、与先导阀回油孔连接的回油通道，所述回油通道与上主阀阀体内腔连通；

所述下主阀部包括下主阀体，所述下主阀体的一侧设置有与进油通道连通的主阀进油口，另一侧设置主阀控制口，所述主阀进油口设置有与下主阀密封结构相匹配的出油口。

进一步地，所述外阀芯的四个腔体的直径由大到小的排列顺序为第一腔体、第四腔体、第三腔体、第二腔体。

更进一步地，所述先导阀体上设置有与内腔连通的泄油组件。

更进一步地，所述上主阀密封结构为半圆形结构，所述上主阀阀体内腔底部形成弧面出口。

更进一步地，所述下主阀密封结构为锥形结构，所述出油口为倒锥形出油口。

更进一步地，所述左内锥阀芯的前端具有倒角，倒角形成左密封锥面，所述压电陶瓷通电带动外阀芯向左移动时，所述左密封锥面与第一腔体、第二腔体形成的左连接面形成密封配合，所述右内锥阀芯的前端具有倒角，倒角形成右密封锥面，所述压电陶瓷失电，外阀芯复位时，所述右密封锥面与第三腔体、第四腔体形成的右连接面形成密封配合。

更进一步地，所述先导阀体上部设置有位移传感器，所述位移传感器采集压外阀芯的位移值。

更进一步地，所述先导阀体外侧设置有与控制口连通的回油口，所述回油口与外部连通。

更进一步地，先导阀部与上主阀部之间、上主阀部与下主阀部之间分别设置有外密封圈和内密封圈。

更进一步地，所述活塞的径向面积为上主阀密封结构的2～4倍、下主阀密封结构的4～10倍。

本发明提出的先导式压电阀，在密封环境内形成液压驱动，驱动力大，能很好适用于高压环境，适用于流体为气体或是液体，能很好的满足高精度喷油，配气，排气阀电控等多方面的需求。本发明既克服了原本电磁阀通电时间长发热严重的问题，同时也解决了压电阀压电位移小无法实现大流量的目的，能很好地实现流量大，兼具压电阀基本无发热响应快的特点。

相对于现有技术，本发明具有如下特点：

1)适用于不同介质，结构简单，控制精度高，流量大，响应速度快，使用寿命长，使用时管路连接简单，结构紧凑，加工简单和成本低。

2)采用压电效应，消除电磁干扰对其影响的可能，同时也消除了电磁阀对其他电器的电磁干扰，由于压电材料的驱动电流很小，有效的解决了电磁阀长时间工作发热的问题，提高了阀的使用寿命；

3)先导阀部去掉了阀壳，直接与阀体一体加工，减少了装配工艺要求，同时也减少了密封的部件；阀体内一次定位加工圆孔，而无需额外在阀盖内二次定位加工圆孔，从而简化了阀盖和阀体的加工工艺，降低了成本；

4)外阀芯和左右内锥阀芯外周加工环槽，这样装配好之后，外阀芯与阀体，内阀芯与外阀芯之间形成“迷宫”密封，有效减少密封，同时也降低了外阀芯的质量，进一步提高了先导阀的响应速度。

附图说明

图1为本发明先导式压电阀的剖视结构示意图。

图2为本发明先导式压电阀通电状态下的剖视结构示意图。

图3为本发明先导式压电阀的外部主视结构示意图。

图4为本发明先导式压电阀的外部俯视结构示意图。

图5为图3的B-B剖视图。

图6为图1的A-A剖视图。

图7为图1中外阀芯结构示意图。

图8为图7中A、B处放大图。

图9为图2中外阀芯结构示意图。

图10为图9中C、D处放大图。

其中：先导阀盖1，压电材料2，外阀芯3，第一腔体3a，第二腔体3b，第三腔体3c，第四腔体3d，左内锥阀芯4，先导阀进油孔5，先导阀回油孔6，右内锥阀芯7，先导阀体8，泄油组件9，控制口10，回油通道11，螺钉12，内密封圈13，上主阀阀体14，下主阀体15，主阀控制口16，主阀进油口17，进油通道18，外密封圈19，连杆20，活塞21，连接口22，回油口23，左密封锥面24，左连接面25，右密封锥面26，右连接面27，上主阀密封结构28，下主阀密封结构29，出油口30，位移传感器31，。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1～图10所示，本发明一种先导式压电阀由上至下依次包括通过螺钉12连接的先导阀部、上主阀部和下主阀部。先导阀部与上主阀部之间、上主阀部与下主阀部之间分别设置有外密封圈19和内密封圈13。

先导阀部包括先导阀体8，先导阀体8内腔轴向设置有外阀芯3，先导阀体8的前端设置有先导阀盖1，先导阀盖1的外径与先导阀体8的内径相匹配。先导阀盖1通过内螺纹与压电陶瓷2的左端外螺纹连接，压电陶瓷2的右端通过内螺纹与外阀芯3连接，压电材料2采用与外阀芯3相配合的圆环结构，使得外阀芯3与压电材料2连接为一体，利用压电材料2的逆压电效应，使得外阀芯3得以快速响应和动作。通过采用螺纹连接的方式固定压电材料2，这种固定方式能有效地防止所述压电材料2在先导阀盖1和先导阀体8形成的腔体内伸缩方向不定，这种固定方式更便于压电材料2的安装。

外阀芯3为管状结构，内腔中由左至右形成四个不同管径的腔体，外阀芯3的四个腔体的直径由大到小的排列顺序为第一腔体3a、第四腔体3d、第三腔体3c、第二腔体3b。与第一腔体3a和第四腔体3d的相对位置上分别设置有左内锥阀芯4和右内锥阀芯7。左内锥阀芯4的前端具有倒角，倒角形成左密封锥面24，压电陶瓷2通电带动外阀芯3向左移动时，左密封锥面24与第一腔体3a、第二腔体3b形成的左连接面25形成密封配合，右内锥阀芯7的前端具有倒角，倒角形成右密封锥面26，压电陶瓷2失电，外阀芯3复位时，右密封锥面26与第三腔体3a、第四腔体3b形成的右连接面27形成密封配合。外阀芯3内的高压油对右连接面27形成向左的推力，该推力便会抵消一部分高压油对外阀芯3的复位力，从而减小了所述右密封锥面26与右连接面27之间的贴合力，提高了外阀芯3和右内锥阀芯7的使用寿命，进而提高了本电磁阀的使用寿命。

先导阀体8侧壁上设置有先导阀进油孔5和先导阀回油孔6，下方设置有控制口10，先导阀进油孔5、先导阀回油孔6和控制口10均与外阀芯3的内腔连通。利用逆压电效应，当压电材料2得电时，压电材料2收缩带动外阀芯3向左快速运动，由于压电材料2的快速响应和很大驱动力，从而提高了本压电阀的响应速度；当压电材料2失电时，压电材料2会快速复原，这种复位力可以快速复位压电阀，加之，先导阀进油孔5内的高压油的压力大，所以先导阀进油孔5的高压油会对外阀芯3产生较大的复位力，提高了本压电阀的响应速度。先导阀体8上设置有与内腔连通的泄油组件9。先导阀体8外侧设置有与控制口10连通的回油口23，回油口23与外部连通。先导阀体8上部设置有位移传感器31，位移传感器31采集压外阀芯3的位移值。

上主阀部包括中空型腔体结构的上主阀阀体14，上主阀阀体14内腔顶部设置有连接口22与控制口10连通，连接口22与控制口10相连通，内密封圈13位于这个连接口结构外侧，起到密封的作用，同时外侧螺钉连接侧与进油回油通道之间也安装了外密封圈19，防止油向外部泄露。连接口22的下方设置有活塞21，活塞21的下方设置有连杆20，带动连杆20上下位移，连杆20的下方设置有上半圆形结构的主阀密封结构28，上主阀阀体14内腔底部形成弧面出口，上主阀密封结构28与上主阀阀体14内腔底部形成密封配合。上主阀密封结构28下方设置有下主阀密封结构29，下主阀密封结构29为锥形结构，出油口30为倒锥形出油口，下主阀密封结构29与出油口30形成密封配合。活塞21的径向面积为上主阀密封结构28的2～4倍、下主阀密封结构29的4～10倍。活塞21受压侧面积做的较下方连杆20大很多，主要是为了实现上部液压力大于下部，实现下主阀密封结构29的密封，同时活塞21、20连杆结构做成一体，加工方便，降低连接件数量，不容易造成泄露问题，同时在活塞连杆结构上安有弹簧，起到缓冲的作用，延长使用寿命。上主阀阀体14内腔两侧分别设置有与先导阀进油孔5连接的进油通道18、与先导阀回油孔6连接的回油通道11，回油通道11与上主阀阀体14内腔连通。回油通道11的设计有利于泄露油的回收，不浪费油。

下主阀部包括下主阀体15，下主阀体15的一侧设置有与进油通道18连通的主阀进油口17，主阀进油口17通过进油通道18向先导阀进油口5提供控制油。主阀进油口17前端形成向上的弧形结构，顶部设置有与倒锥形出油口30与下主阀密封结构29形成密封。下主阀体15的另一侧设置主阀控制口16。主阀体15为一个截止阀，关阀时通过先导阀控制口10流体液压力向下推动活塞21起到关闭截止阀的作用，此时上方的上主阀密封结构28打开，主阀控制口16与回油通道11相连通，开阀时，压电材料2收缩，先导阀部控制口10与回油口11相连通，活塞21和连杆20被下方液压力推动向上运动，主阀控制口16被打开，上方回油通道11关闭，主阀进油口17与主阀控制口16相连通。下主阀体15为一个空心结构，这样可以降低质量，同时在主阀进油口17内部通过设计弧形结构引流，把液压力方向调整为向上，这样在上方先导阀部开启时，能够快速响应，加快响应速度。

本发明的工作原理为：由于主阀进油口17与高压共轨系统连接着，又由于主阀进油口17与位于外阀芯3上的先导阀进油口5连通,于是先导阀进油口5内也充满了高压油,而此时未通电左密封锥面24与左连接面25之间是开启的,控制口10和先导阀进油口5连接了起来，通过上主阀阀体14内腔底部的弧面出口，先导阀进油口5内的高压油进入控制口10，有油压作用在活塞21上，通过活塞21与连杆20相连接推着连杆21底部锥形下主阀密封结构29压在下出油口30上，形成密封条件，同时由于上主阀密封结构28向上位移打开，主阀控制口16通过回油通道11与回油口23相连通。

当先导阀部通电时(如图2所示)，压电材料2收缩,左密封锥面24与左连接面25之间的空隙闭合,右密封锥面26与右连接面27之间的空隙开启,先导阀控制口10与回油口23相连通，控制口10内的油压通过与外界相连通的回油口23卸掉，主阀进油口17油压通过下主阀密封结构29导流有向上推动连杆20的力，使连杆29上方的上主阀密封结构28与上主阀阀体14内腔底部密封配合，从而关闭回油通道11，此时主阀进油口17与主阀控制口16相连通。这样就起到了通过先导阀控制主阀开启关闭的作用，为一个常闭式压电先导阀。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种先导式压电阀，其特征在于：由上至下依次包括先导阀部、上主阀部和下主阀部，所述先导阀部包括先导阀体（8），所述先导阀体（8）内腔轴向设置有外阀芯（3），所述先导阀体（8）的前端设置有先导阀盖（1），所述先导阀盖（1）通过螺纹与压电陶瓷（2）连接，所述压电陶瓷（2）通过螺纹与外阀芯（3）连接，所述外阀芯（3）为管状结构，内腔中由左至右形成四个不同管径的腔体，所述外阀芯（3）的四个腔体的直径由大到小的排列顺序为第一腔体（3a）、第四腔体（3d）、第三腔体（3c）、第二腔体（3b），与第一腔体（3a）和第四腔体（3d）的相对位置上分别设置有左内锥阀芯（4）和右内锥阀芯（7），所述先导阀体（8）侧壁上设置有先导阀进油孔（5）和先导阀回油孔（6），所述先导阀体（8）上设置有与内腔连通的泄油组件（9），下方设置有控制口（10），所述先导阀进油孔（5）、先导阀回油孔（6）和控制口（10）均与外阀芯（3）的内腔连通；所述先导阀体（8）外侧设置有与控制口（10）连通的回油口（23），所述回油口（23）与外部连通；

所述上主阀部包括中空型腔体结构的上主阀阀体（14），上主阀阀体（14）内腔顶部设置有连接口（22）与控制口（10）连通，所述连接口（22）的下方设置有活塞（21），所述活塞（21）的下方设置有连杆（20），所述连杆（20）的下方设置有上主阀密封结构（28），所述上主阀密封结构（28）与上主阀阀体（14）内腔底部形成配合，所述上主阀密封结构（28）下方设置有下主阀密封结构（29），所述上主阀阀体（14）内腔两侧分别设置有与先导阀进油孔（5）连接的进油通道（18）、与先导阀回油孔（6）连接的回油通道（11），所述回油通道（11）与上主阀阀体（14）内腔连通；

所述下主阀部包括下主阀体（15），所述下主阀体（15）的一侧设置有与进油通道（18）连通的主阀进油口（17），另一侧设置主阀控制口（16），所述主阀进油口（17）设置有与下主阀密封结构（29）相匹配的出油口（30）。

2.根据权利要求1所述的先导式压电阀，其特征在于：所述上主阀密封结构（28）为半圆形结构，所述上主阀阀体（14）内腔底部形成弧面出口。

3.根据权利要求2所述的先导式压电阀，其特征在于：所述下主阀密封结构（29）为锥形结构，所述出油口（30）为倒锥形出油口。

4.根据权利要求1所述的先导式压电阀，其特征在于：所述左内锥阀芯（4）的前端具有倒角，倒角形成左密封锥面（24），所述压电陶瓷（2）通电带动外阀芯（3）向左移动时，所述左密封锥面（24）与第一腔体（3a）、第二腔体（3b）形成的左连接面（25）形成密封配合，所述右内锥阀芯（7）的前端具有倒角，倒角形成右密封锥面（26），所述压电陶瓷（2）失电，外阀芯（3）复位时，所述右密封锥面（26）与第三腔体（3c）、第四腔体（3d）形成的右连接面（27）形成密封配合。

5.根据权利要求1所述的先导式压电阀，其特征在于：所述先导阀体（8）上部设置有位移传感器（31），所述位移传感器（31）采集压外阀芯（3）的位移值。

6.根据权利要求1所述的先导式压电阀，其特征在于：先导阀部与上主阀部之间、上主阀部与下主阀部之间分别设置有外密封圈（19）和内密封圈（13）。

7.根据权利要求3所述的先导式压电阀，其特征在于：所述活塞（21）的径向面积为上主阀密封结构（28）的2~4倍、下主阀密封结构（29）的4~10倍。