CN110486193A - 一种压电致动式天然气直喷式喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种压电致动式天然气直喷式喷射装置，包括驱动机构和与所述驱动机构连接的进料装置，所述驱动机构包括外壳，所述外壳内设有压电执行元件，所述压电执行元件与液压缸体连接，所述液压缸体内滑动设有阀芯，所述阀芯另一端设置在进料装置内，并抵住所述进料装置的出口，所述进料装置内设有用于填充燃料的进口。本发明提出的压电致动式天然气直喷式喷射装置，可以解决传统电磁铁驱动的针阀喷射装置存在的控制特性差、喷射流量小、落座速度大的问题。同时，可以解决新型动圈式电磁直线执行器驱动的喷射装置存在的工作稳定性差的问题。通过压电执行元件实现了气体燃料瞬间大流量缸内高精度喷射。

Description

一种压电致动式天然气直喷式喷射装置
技术领域
本发明涉及一种气体燃料喷射装置，具体是应用于缸内直喷式天然气发动机的燃气喷射阀。
背景技术
随着科技发展，各国工业水平的不断提高，空气污染控制和能源供应安全已日益成为工业化国家面临的两个基本问题。压缩天然气(CNG)主要由甲烷组成，由于其H/C比高，研究辛烷值高(约130)，被认为是最有前景的替代燃料之一。此外，天然气的可燃极限相对较宽，与化学计量的汽油机相比，稀薄条件下的较低峰值燃烧温度降低了CNG发动机的爆震倾向，从而可以通过增加增压压力来提高相同排量发动机的功率。因此，具有高压缩比、稀薄燃烧混合气或高废气再循环的CNG发动机应在扭矩、功率方面优于汽油发动机，并且可以显著减少污染物排放。
然而，现阶段气体燃料发动机，尤其是压缩天然气发动机大多是基于传统汽、柴油机改制而来，简单地将供油系统替换成供气系统，即便是当前最新的第三代缸外喷射系统和第四代缸内高压直喷系统，其供气系统的终端，即气体燃料喷射装置，仍然采用电磁铁作为驱动部件，生产厂家主要有美国DELPHI、加拿大IMPCO、德国BOSCH以及韩国HANA公司。一般地，对于液体燃料喷射器，采用电磁铁作为驱动器是可行的，因为液体燃料在喷射器的阀门阀座之间形成了一定的油膜，一定程度上可以吸收电磁铁驱动方式带来的撞击反弹，当今最常见的喷油器正是采用这种驱动形式。然而，对于气体燃料，因为阀门与阀座之间缺少了液体燃料的润滑缓冲作用。因此，对于气体燃料喷射场合，采用传统电磁铁驱动方式将导致难以精确控制燃料喷射量、燃料泄漏等问题。
气体燃料电控喷射阀大多基于电磁驱动的原理，其核心部件为电磁直线执行器，通过电能驱动气体燃料喷射阀执行机构的开启与关闭。电磁直线执行器是一种将电能直接转换成直线运动机械能的机电传动阀，按照工作原理通常可以分为直线感应执行器、直线同步执行器、直线直流执行器、直线压电执行器和电磁铁等特殊直线执行器。课题组过去五年内，立足于动圈式电磁直线执行器，从而设计了发动机全可变配气机构，从成功设计研究了由动圈式电磁直线执行器驱动的大流量气体燃料喷射装置，并申报了若干相关专利。这种方案，是借助于动圈式电磁直线执行器的优良控制特性，实现阀门运动的过程控制和零落座速度控制。
然而，在该型动圈式电磁执行器驱动的气体燃料喷射装置装机实验中发现，它的设计体积较传统电磁铁驱动的喷射装置增大不少，导致在中小型气体燃料发动机上难以安装，并且考虑到动圈式执行器动作部件会带动外部供电线路联动，连续工作数天后会导致外部线路断路，工作稳定性较差。
因此，设计一种体积小、控制特性好、稳定性好、适用于高压瞬时大流量气体燃料喷射装置迫在眉睫。
根据有关文献，可利用压电效应来构造一种具有合适晶体结构的材料，并且利用该材料构成压电原件，此压电原件在外部施加电压时，可以根据晶体的结构和施加电压的区域在给定方向表现出机械反应上的压或拉。压电执行元件体积小、控制特性较好，同时驱动部件与外部供电线路不联动，工作稳定性优良。但是，其缺点在于行程通常较小，难以实现高压气体燃料的瞬时大流量喷射，因此本发明考虑在压电驱动部件下游布置液压行程放大器，放大压电执行机构的行程。
发明内容
本发明为了提供一种稳定控制性能高的天然气缸内直喷式喷射装置，本发明提供了一种压电致动式天然气直喷式喷射装置，包括驱动机构和与所述驱动机构连接的进料装置，所述驱动机构包括外壳，所述外壳内设有压电执行元件，所述压电执行元件与液压缸体连接，所述液压缸体内滑动设有阀芯，所述阀芯另一端设置在进料装置内，并与所述进料装置的出口配合，所述进料装置内设有用于填充燃料的进口。
作为优选，所述驱动机构的底部设有放置腔，所述放置腔中间设有安装板，所述安装板将所述放置腔分为存储腔和复位腔，所述存储腔内设有用于放置液压油的所述液压缸体，所述液压缸体上方设有缸体端盖，所述压电执行元件通过所述缸体端盖与所述液压缸体连接，所述复位腔内设有用于使所述阀芯复位的弹簧，所述弹簧一端与所述阀芯固定连接，另一端与下端盖连接，所述阀芯穿过所述下端盖并延伸至进料装置内。阀芯在液压油的作用下往下运动，直至运动到最大位置，即阀芯伸出所述进料装置，当完成工作后，弹簧可以确保阀芯快速回位，也使驱动机构不通电的时候，液压缸体处于常闭状态。
进一步地，所述外壳上端设有上端盖，所述上端盖上设有进线孔，所述压电执行元件上的连接线穿过所述进线孔与外界连通。
有益效果：本发明提出的压电致动式天然气直喷式喷射装置，可以解决传统电磁铁驱动的针阀喷射装置存在的控制特性差、喷射流量小、落座速度大的问题。同时，可以解决新型动圈式电磁直线执行器驱动的喷射装置存在的工作稳定性差的问题。通过压电执行元件实现了气体燃料瞬间大流量缸内高精度喷射。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
1、进口；2、阀芯；3、安装板；4、液压缸体；5、弹簧；6、下端盖；7、出口；8、压电执行元件；9、上端盖；10、进线孔；11、缸体端盖；
具体实施方式
如图所示，一种压电致动式天然气直喷式喷射装置，包括驱动机构和与所述驱动机构连接的进料装置，所述驱动机构包括外壳，所述外壳内设有压电执行元件8，所述压电执行元件8与液压缸体4连接，所述液压缸体4内滑动设有阀芯2，所述阀芯2另一端设置在进料装置内，并与所述进料装置的出口7配合，所述进料装置内设有用于填充燃料的进口1。
所述驱动机构的底部设有放置腔，所述放置腔中间设有安装板3，所述安装板3将所述放置腔分为存储腔和复位腔。所述存储腔内设有用于放置液压油的所述液压缸体4，所述液压缸体4上方设有缸体端盖11，所述压电执行元件8通过所述缸体端盖11与所述液压缸体4连接。所述复位腔内设有用于使所述阀芯2复位的弹簧5，所述弹簧5一端与所述阀芯2固定连接，另一端与下端盖6连接，所述阀芯2穿过所述下端盖6并延伸至进料装置内。
所述外壳上端设有上端盖9，所述上端盖6上设有进线孔10，所述压电执行元件8上的连接线穿过所述进线孔10与外界连通。
工作原理：当需要喷射燃气时，导线通过进线孔10连接压电执行元件8，导线通直流电，外电极13处的直流电压施加在内电极14上，内电极14上出现压电执行元件8的机械反应，压电执行元件8的总长度变大。压电执行元件8压动液压油下降，液压油挤压阀芯2下降，阀芯2伸出进料装置，进料装置内有燃料，阀芯2伸出进料装置后，燃料从出口7喷出，持续通电保持阀芯2伸出出料装置最大开度确保燃气正常喷射；当需要停止燃气喷射时，向导线上通以一定大小的反向电流，压电执行元件8总长度变小，阀芯2向上运动，当阀芯2伸入出料装置后(即抵住出口7)，断电，弹簧5提供的弹簧5力确保阀芯2在液压缸体4内。

Claims (3)

1.一种压电致动式天然气直喷式喷射装置，其特征在于：包括驱动机构和与所述驱动机构连接的进料装置，所述驱动机构包括外壳，所述外壳内设有压电执行元件(8)，所述压电执行元件(8)与液压缸体(4)连接，所述液压缸体(4)内滑动设有阀芯(2)，所述阀芯(2)另一端设置在进料装置内，并与所述进料装置的出口(7)配合，所述进料装置内设有用于填充燃料的进口(1)。
2.根据权利要求1所述的一种压电致动式天然气直喷式喷射装置，其特征在于：所述驱动机构的底部设有放置腔，所述放置腔中间设有安装板(3)，所述安装板(3)将所述放置腔分为存储腔和复位腔，所述存储腔内设有用于放置液压油的所述液压缸体(4)，所述液压缸体(4)上方设有缸体端盖(11)，所述压电执行元件(8)穿过所述缸体端盖(11)与所述液压缸体(4)连接，所述复位腔内设有用于使所述阀芯(2)复位的弹簧(5)，所述弹簧(5)一端与所述阀芯(2)固定连接，另一端与下端盖(6)连接，所述下端盖(6)位于所述复位腔底部，所述阀芯(2)穿过所述下端盖(6)并延伸至进料装置内。
3.根据权利要求1所述的一种压电致动式天然气直喷式喷射装置，其特征在于：所述外壳上端设有上端盖(9)，所述上端盖(9)上设有进线孔(10)，所述压电执行元件(8)上的连接线穿过所述进线孔(10)与外界连通。
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