CN110848041A - 压电式喷油速率调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明能够实现可调喷油速率喷射的精确控制。本发明提供了一种压电式喷油速率调节装置，包括第一压电驱动器、共轨管、进油腔、伺服腔、控制腔和增压腔；共轨管通过进油道分别与进油腔和伺服腔相连通，伺服腔通过伺服油道与控制腔相连通；进油腔与增压腔相连通；控制腔和增压腔同轴设置；伺服腔内设置有第一活塞，第一活塞在第一压电驱动器的作用下在伺服腔内向下运动；伺服腔壁体设置有与外部相连通的外部管道，当第一活塞处于初始位置时所述外部管道与伺服腔不连通；第一活塞内部设置有回油道；还包括第二活塞，第二活塞的上部设置于控制腔内部，第二活塞的下部设置于增压腔内部；进油腔设置于第二活塞内部并与增压腔相连通。
Description
技术领域
本发明涉及船用发动机喷油器技术领域，具体涉及一种压电式喷油速率调节装置。
背景技术
柴油机的经济和排放性能指标主要由其燃烧过程组织好坏决定，而燃烧过程则与燃油系统的喷射特性直接相关，对喷油压力和喷油速率实施灵活的控制是提高其燃油经济性和降低污染物排放最高效的方式。高压共轨系统能够通过对共轨压力的闭环控制，实现喷油压力和转速的独立控制以及供油过程和燃油喷射过程的相互独立，从而根据柴油机运转工况和使用条件以等柔性控制喷油压力、喷油速率以及喷射次数等，进而实现柴油机经济和排放性能的综合优化控制。
提高喷油压力能够改善喷出油束的雾化质量，减小油滴的索特平均直径，促进喷雾微粒化和空气的卷吸作用，有利于均匀可燃混合气的生成，从而有效提高热效率和降低碳烟排放。但是，喷油压力提高后，也就意味着喷油速率的提高，这就使得滞燃期内喷入燃油数量的增多，造成燃烧初期的放热率急速升高，导致NOx排放和燃烧噪声的增大，因此，还需要通过对喷油速率的有效调节来控制预混燃烧的油量，形成更为合理的可燃混合气时间和空间分布等，从而控制燃烧最高温度和压力升高率。与此同时，为实现全工况范围内的优化，喷油速率曲线形态也不应该是固定不变的，而是随着柴油机转速和负荷的变化相应调整成最佳的形状。但常规的高压共轨系统要求在喷射过程内保持喷油压力恒定不变，喷油速率曲线形态近似于矩形，无法灵活实现喷油速率曲线形态的改变。。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种压电式喷油速率调节装置，能够实现可调喷油速率喷射的精确控制。
本发明提供了一种压电式喷油速率调节装置，包括第一压电驱动器、共轨管、进油腔、伺服腔、控制腔和增压腔；共轨管通过进油道分别与进油腔和伺服腔相连通，伺服腔通过伺服油道与控制腔相连通；进油腔与增压腔相连通；控制腔和增压腔同轴设置；伺服腔内设置有第一活塞，第一活塞在第一压电驱动器的作用下在伺服腔内向下运动；伺服腔壁体设置有与外部相连通的外部管道，当第一活塞处于初始位置时所述外部管道与伺服腔不连通；第一活塞内部设置有回油道；当第一活塞下行运动时，外部管道通过回油道和伺服管道与控制腔相连通；还包括第二活塞，第二活塞的上部设置于控制腔内部，第二活塞的下部设置于增压腔内部；进油腔设置于第二活塞内部并与增压腔相连通；第一活塞的下行引起控制腔压力的减小，带动第二活塞的下行，以增加增压腔的压力；增压腔与喷油器相连，用于向喷油器施压。
上述技术方案中，共轨管的燃油一方面通过进油道进入进油腔，再通过进油腔进入增压腔，另一方面通过进油道、伺服腔和伺服油道进入控制腔，进油腔、控制腔以及增压腔的压力保持一致。
上述技术方案中，还包括CPU，CPU与第一压电驱动器电连接，向其发送调节装置控制信号以控制第一压电驱动器的位移；CPU通过控制第一压电驱动器的位移量从而控制第一活塞的位移量，改变回油道的有效流通面积，以调节控制腔的压力，进而改变第二活塞的工作行程，以实现喷油器压力的控制。
上述技术方案中，喷油器集成有第二压电驱动器，CPU 与第二压电驱动器电连接，用于向第二压电驱动器发送喷油器控制信号，以控制喷油器的开关状态。
上述技术方案中，CPU通过内部设定的喷油速率曲线，计算得出喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令；CPU根据喷油脉宽发送喷油器控制信号，根据增压脉宽发送调节装置控制信号；根据喷油与增压的开启时序指令确定调节装置控制信号开启时刻与喷油器控制信号开启时刻的时间之差。
上述技术方案中，所述CPU包括微控制器，微控制器与CAN总线相连；微控制器通过功率驱动模块与第二压电驱动器和第一压电驱动器电连接；微控制器通过串口通信设备与上位机电连接，上位机接受外部关于喷油速率的设置命令，并计算得出喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令发送至微控制器。
上述技术方案中，进油腔的入口处设置有单向阀。
上述技术方案中，所述第一活塞为上下两节式台阶状的圆柱体结构；第一活塞的上节外表面与伺服腔的内壁紧密贴合；第一活塞的下节外表面与伺服腔的内壁之间存在空隙，以形成伺服腔的内部空间；当第一压电驱动器位于初始位置时，第一活塞的上节底面位于进油道与伺服腔连接口上方边缘；回油道的下方边缘与外部管道的上方边缘相配合。
上述技术方案中，所述第二活塞为上下两节式台阶状的圆柱体结构；第二活塞的上节外表面与控制腔的内壁紧密贴合；第二活塞的下节外表面与控制腔的内壁之间存在空隙，第二活塞的上节底面、第二活塞下节外表面和控制腔的内壁配合以形成控制腔的内部空间；第二活塞的底端位于增压腔内部并与其内壁紧密贴合；第二活塞的底面和增压腔内壁配合形成增压器内部空间。
上述技术方案中，伺服腔内设置有第一复位弹簧，第一复位弹簧的上端与第一活塞的上节底面相接触，第一复位弹簧的下端与伺服腔的底面相接触；增压腔内设置有第二复位弹簧；第二复位弹簧的上端与第二活塞的下节底面相接触，第二复位弹簧的下端与增压腔的底面相接触。
本发明通过对第一压电驱动器输出位移的精确控制，可以准确控制控制腔泄油速率，实现控制腔压力和增压腔压力的实时调节，从而实现对喷油器增压的可调。与此同时，对该调节装置和喷油器的开关进行时序控制，最终实现不同的喷油规律控制。
附图说明
图1是为本发明专利结构示意图；
图2是为本发明专利的电气接线图；
图3是本发明的控制信号时序图；
图4为方案1～5不同喷油脉宽下的喷油速率曲线；
图5为方案6～1不同增压脉宽下的喷油速率曲线；
图6为方案10～11不同控制时序下的喷油速率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明的一种应用于共轨喷油系统的压电式喷油速率调节装置，包括壳体1，壳体内设置有进油腔、伺服腔、控制腔和增压腔；还包括第一压电驱动器2，第一压电驱动器上端固定嵌入在壳体1的槽座上，并通过导线槽将信号线接出连至CPU，下端通过球型作用端头顶住第一活塞3，第一活塞3内部设有回油道4，第一活塞3与壳体1之间形成伺服腔6，伺服腔左侧与进油道9联通，下侧通过伺服油道7与控制腔13联通。另一方面，该装置设有单向阀10，单向阀上端与进油道9相连，下端与第二活塞12形成进油腔11，第二活塞12中部与壳体形成控制腔13，下端与壳体1形成增压腔14，增压腔14内部设有第二复位弹簧15，增压腔外部与喷油器16 相连。
所述第一活塞3为上下两节式台阶状的圆柱体结构；第一活塞3的上节外表面与伺服腔的内壁紧密贴合；第一活塞的下节外表面与伺服腔的内壁之间存在空隙，以形成伺服腔的内部空间；当第一压电驱动器位于初始位置时，第一活塞的上节底面位于进油道与伺服腔连接口上方边缘；回油道的下方边缘位于外部管道的上方边缘相接触。壳体外部设置有回油箱17。第一复位弹簧5套接于第一活塞下节的外部，伺服腔的底端设置有限位阀座，第一复位弹簧5的底端与限位阀座相接触，第一活塞可穿过限位阀座向下延伸。
所述第二活塞12为上下两节式台阶状的圆柱体结构；第二活塞12的上节外表面与控制腔的内壁紧密贴合；第二活塞 12的下节外表面与控制腔的内壁之间存在空隙，第二活塞12 的上节底面、第二活塞下节外表面和控制腔的内壁配合以形成控制腔13的内部空间；第二活塞的底端位于增压腔内部并与其内壁紧密贴合；第二活塞的底面和增压腔内壁配合形成增压器14内部空间。
当叠层式第一压电驱动器2未通电工作时，第一活塞3在第一复位弹簧5和伺服腔6高压燃油的作用下向上紧紧贴合，此时，活塞内回油道4保持封闭状态，共轨管8的燃油一方面通过进油道9和单向阀10进入进油腔11，然后继续往下进入增压腔14，另一方面通过进油道9、伺服腔6和伺服油道7进入控制腔13，使得此时进油腔11、控制腔13以及增压腔14 的压力保持一致，增压活塞12保持不动，供给喷油器的燃油压力为共轨压力。
当第一压电驱动器2通电时，驱动器驱动第一活塞3向下移动，此时回油道4接通，伺服腔6与伺服油道7的连接中断，控制腔的燃油通过伺服油道7和回油道4泄出至回油箱17，控制腔13压力降低，增压活塞12在进油腔11燃油作用下克服增压活塞弹簧15作用力向下运动，压缩增压腔14容积，使得增压腔压力增大，供给喷油器的燃油压力增加。当第一压电驱动器断电后，第一活塞和第二活塞在复位弹簧的作用下回到原始位置。
相比于电磁阀，本发明可精确控制第一压电驱动器的位移量，改变回油道的有效流通面积，实现控制腔压力的调节，进而改变增压活塞的工作行程，最终可完成喷油器压力的精确、实时控制。
如图2所示为控制系统硬件结构示意图，控制单元包括 STC1245A60S2单片机、辅助电源、上位机、功率驱动电路以及电压电流检测电路等。单片机通过处理上位机发出的喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令，向功率驱动电路发出如图2所示的压电喷油器与调节装置控制信号，最终控制喷油器与调节装置内部的压电驱动控制阀的开关实现增压和喷油的控制。CPU通过内部设定的喷油速率曲线，计算得出喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令；CPU 根据喷油脉宽发送喷油器控制信号，根据增压脉宽发送调节装置控制信号；根据喷油与增压的开启时序指令确定调节装置控制信号开启时刻与喷油器控制信号开启时刻的时间之差。
上述技术方案中，所述CPU包括微控制器即单片机，微控制器与CAN总线相连；微控制器通过功率驱动模块与第二压电驱动器和第一压电驱动器电连接；微控制器通过串口通信设备与上位机电连接，上位机接受外部关于喷油速率的设置命令，并计算得出喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令发送至微控制器；微控制器通过外部电源供电。CPU 接收和处理由电压电流检测电路检测到的第一压电驱动器和第二压电驱动器电压信号和电流信号。CPU根据接收到的电压信号通过PID反馈控制实现预设的两个压电驱动器电压和位移的调制。电流信号检测的作用是：当人为或者电路短路等因素导致驱动电流过高时，会威胁到电路和驱动器的安全，此时CPU接收和处理电流信号后，判断电流过高后，会发出中断信号使电路立刻停止工作，与此同时，CPU通过功率驱动模块发送电平信号至蜂鸣器，使蜂鸣器发出故障报警。
如表1所示为不同喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压开启时序下的控制方案，通过预先的仿真计算标定得到预期实现的喷油规律曲线如图所示，图4为方案1～5不同喷油脉宽下的喷油速率曲线，图5为方案6～1不同增压脉宽下的喷油速率曲线，图6为方案10～11不同控制时序下的喷油速率曲线，其中，控制时序是指调节装置第一压电驱动器控制信号开启时刻与喷油器第一压电驱动器控制信号开启时间之差。用户可根据喷油需要选择合适的喷油与增压控制方案，其他规律方案与此类似，不在赘述。
表1 喷油速率调节控制方案
本说明书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 (10)
1.一种压电式喷油速率调节装置，其特征在于包括第一压电驱动器、共轨管、进油腔、伺服腔、控制腔和增压腔；共轨管通过进油道分别与进油腔和伺服腔相连通，伺服腔通过伺服油道与控制腔相连通；进油腔与增压腔相连通；控制腔和增压腔同轴设置；伺服腔内设置有第一活塞，第一活塞在第一压电驱动器的作用下在伺服腔内向下运动；伺服腔壁体设置有与外部相连通的外部管道，当第一活塞处于初始位置时所述外部管道与伺服腔不连通；第一活塞内部设置有回油道；当第一活塞下行运动时，外部管道通过回油道和伺服管道与控制腔相连通；还包括第二活塞，第二活塞的上部设置于控制腔内部，第二活塞的下部设置于增压腔内部；进油腔设置于第二活塞内部并与增压腔相连通；第一活塞的下行切断伺服腔与伺服油道的连通，引起控制腔压力的减小，带动第二活塞的下行，以增加增压腔的压力；增压腔与喷油器相连，用于向喷油器施压。
2.根据权利要求1所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于：共轨管的燃油一方面通过进油道进入进油腔，再通过进油腔进入增压腔，另一方面通过进油道、伺服腔和伺服油道进入控制腔，进油腔、控制腔以及增压腔的压力保持一致。
3.根据权利要求2所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于还包括CPU，CPU与第一压电驱动器电连接，向其发送调节装置控制信号以控制第一压电驱动器的位移；CPU通过控制第一压电驱动器的位移量从而控制第一活塞的位移量，改变回油道的有效流通面积，以调节控制腔的压力，进而改变第二活塞的工作行程，以实现喷油器压力的控制。
4.根据权利要求3所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于喷油器集成有第二压电驱动器，CPU与第二压电驱动器电连接，用于向第二压电驱动器发送喷油器控制信号，以控制喷油器的开关状态。
5.根据权利要求4所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于CPU通过内部设定的喷油速率曲线，计算得出喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令；CPU根据喷油脉宽发送喷油器控制信号，根据增压脉宽发送调节装置控制信号；根据喷油与增压的开启时序指令确定调节装置控制信号开启时刻与喷油器控制信号开启时刻的时间之差。
6.根据权利要求4所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于所述CPU包括微控制器，微控制器与CAN总线相连；微控制器通过功率驱动模块与第二压电驱动器和第一压电驱动器电连接；微控制器通过串口通信设备与上位机电连接，上位机接受外部关于喷油速率的设置命令，并计算得出喷油脉宽、增压脉宽以及喷油与增压的开启时序指令发送至微控制器。
7.根据权利要求4所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于进油腔的入口处设置有单向阀。
8.根据权利要求4所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于所述第一活塞为上下两节式台阶状的圆柱体结构；第一活塞的上节外表面与伺服腔的内壁紧密贴合；第一活塞的下节外表面与伺服腔的内壁之间存在空隙，以形成伺服腔的内部空间；当第一压电驱动器位于初始位置时，第一活塞的上节底面位于进油道与伺服腔连接口上方边缘；回油道的下方边缘与外部管道的上方边缘相配合。
9.根据权利要求4所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于所述第二活塞为上下两节式台阶状的圆柱体结构；第二活塞的上节外表面与控制腔的内壁紧密贴合；第二活塞的下节外表面与控制腔的内壁之间存在空隙，第二活塞的上节底面、第二活塞下节外表面和控制腔的内壁配合以形成控制腔的内部空间；第二活塞的底端位于增压腔内部并与其内壁紧密贴合；第二活塞的底面和增压腔内壁配合形成增压器内部空间。
10.根据权利要求4所述的压电式喷油速率调节装置，其特征在于伺服腔内设置有第一复位弹簧，第一复位弹簧的上端与第一活塞的上节底面相接触，第一复位弹簧的下端与伺服腔的底面相接触；增压腔内设置有第二复位弹簧；第二复位弹簧的上端与第二活塞的下节底面相接触，第二复位弹簧的下端与增压腔的底面相接触。
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