CN1126125C - 用于发动机控制阀的电磁致动器装置 - Google Patents

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Abstract

一电磁致动器的衔铁-针栓组件(36)及相应的定子结构(56，58)的改进，该致动器用于EGR阀中以便根据发动机控制系统的控制电流控制该EGR阀的开启。更精确地组装各零部件并且更精确地加工成形某些部件的形状可提供更好的控制并减小滞后现象。

Description

用于发动机控制阀的电磁致动器装置
本发明的技术领域
广义上说，本发明涉及电磁致动的控制阀，例如内燃机用废气再循环(EGR)阀，具体地说，本发明旨在于提供一种新的，改进的用于这些阀的电磁致动器装置。
本发明的技术背景及概述
控制发动机废气再循环是一种用于减少内烯机排出的燃烧产物中NOx向大气中排放的常用技术。典型的EGR(废气再循环)系统包括一个EGR阀，该阀根据发动机工况进行控制，以便调节再循环到流进发动机中燃烧的燃料一空气进气流中的废气量，从而限制燃烧温度，因此而减少Nox的形成。
由于这些阀典型地都是装在发动机上，因此EGR阀常常是处在恶劣的工作环境下，该种环境包括宽范围的温度极端条件及振动。废气排放标准对改善这些阀的控制提出更严格的限制。使用一种电动致动器是为了获得这种改善控制的一种手段，但是为了商业上成功，这种致动器必须要能在这种极端环境下正常地工作一相当长的时期。然而，在大批量生产的汽车中应用这种致动器还要考虑零部件的成本效益，这是很重要的。具有精度更高且响应更快的EGR阀的电致动器导致配装有一EGR系统的内燃机车辆的驾驶性的改善，燃油消耗的降低，它还提供了对排气尾管的排放的更好控制。
一种公知的EGR阀的示例公开于日本专利JP-A-61 168214中，该阀设有一个带有一个设置于各磁轭之间的非磁性套的定子结构，该磁轭产生磁通，用于改善精确性及控制。
本发明所针对的技术问题涉及一衔铁-针栓组件的改进及一电磁致动器的相应定子结构的改进，该致动器根据来自发动机控制系统的控制电流控制该阀的开启。各零部件的更精确组装及某些部件的更精确成形提供了更好的控制并减少滞后现象。
根据本发明，提供一种内燃机用电动废气再循环(EGR)阀，该阀包括一个与一阀座相互配合的阀头，以便有选择地设定废气经设置于所述气道中的所述阀座在一进口和一出口之间的气道中流动的程度；一电磁致动装置带有一电磁线圈及定子结构，该定子结构带有各个与所述电磁线圈相应设置的壁部，从而为所述电磁线圈中存在电流时产生的磁通提供一磁路；一衔铁-针栓组件，该组件具有一衔铁和一针栓，该衔铁与所述电磁致动装置工作式相连，以致所述衔铁根据所述磁通沿一假想的轴线在所述定子结构中移动，该针栓具有一根从所述衔铁延伸到所述阀头的轴，以致所述阀头，与所述衔铁的位移协调地从所述阀座上移开，一螺旋弹簧作用于所述衔铁-针栓组件上用于推压所述阀头，以致使所述阀头落坐于所述阀座上，此时所述气道因所述电磁线圈中不存在电流而关闭；及一非磁性套件，该套件具有沿径向设置于所述定子的侧壁部和所述衔铁之间的大致管状筒形侧壁，
其特征在于：
所述定子结构具有一个基本上与所述假想轴线同心并与所述衔铁的筒形管状壁部处于似近包围的关系的气隙，该衔铁的筒形管状壁部分由两个相对的但轴向隔开的轴向延伸的壁部分限定构成，该两相对的但轴向隔开的轴向延伸壁部分的第一个具有基本上均匀的径向厚度，但第二个的径向厚度从与一内肩形部相邻的远端朝所述第一轴向延伸的壁部逐渐变窄，最终终止在一端部边缘表面中，所述内肩形部与所述第二壁部在离开所述第一壁部分的方向轴向隔开，从而限定构成所述衔铁的轴向行程范围，所述第一和第二壁部与所述气隙一起产生所述磁通，该磁通设置得与所述弹簧一道使所述衔铁产生基本上预定的位移。
本发明的其它特征，优点及有利方面将可在带附图的下述说明及权利要求书中看出。各附图示出了按在实施本发明时至今能想到的最佳方式所得出的本发明的优选实施例。(虽然本发明的原理特别适应于EGR阀，但这些原理对其它类型的自动阀是通用的)
附图的简要说明：
图1是采用本发明的原理的电动EGR阀(EEGR阀)的前视图，为了表示与本发明原理相关的内部详情，图1所示的阀的某些部分已被去除。
图2是单独示出的EEGR阀的一内部部件，即一上定子件的顶视平面图。
图3是单独示出的EEGR阀的另一内部部件，即一衔铁件的顶视平面图。
图4是单独示出的EEGR阀的又一内部部件，即一紧固螺帽的顶视平面图。
图5是单独示出的EEGR阀的再一内部部件，即图1中一波形弹簧垫的放大的顶视平面图。
图6是图5的前视图；
图7是单独示出的EEGR阀的再一内部部件，即一个非磁性套的前视图。
图8是图7的底部平面视图。
优选实施例的描述：
各附图示出了本发明的原理用于电动EGR阀(EEGR阀)10中的情况。图1表示EEGR阀10的总体结构，该EEGR阀10包括一金属基座12，一个设置于基座2顶部并固定其上的一般圆筒形壳体14，及一个构成该壳体14的另一敞开顶端的封闭件的传感器盖16。
座12包括一个便于抵靠于一内燃机的排气支管的一表面上的平底面，在该座和支管之间较典型的是夹设一合适形状的密封垫(未示出)。座12包括一法兰，该法兰带有若干用于将EEGR阀可分离地连接到一排气支管上的通孔(未示出)。例如，该支管可包含一对穿过该法兰的通孔的螺栓，首先将锁紧垫置于该螺栓的自由端上，接着将螺帽拧到该螺栓上并固紧使座12紧压在支管上，从而在该阀10和支管之间形成一防漏连接。标号18表示EEGR阀10的主纵轴线。
传感器盖16是一非金属件，最好由适当的聚合材料制成。除了为该壳体14的另一敞开顶端提供封闭外，该传感器盖16包括一中心圆柱20和一个从该圆柱20沿径向向外伸出的接电器壳体22。中心圆柱20具有一空心内腔，该腔的形状便于将一个用来检测EEGR阀10开启程度的位置传感器装纳于其中。传感器盖16还包括几个为电磁线圈组件(将在后面说明)设置的接电头T及一个在工作上与发动机电控系统相关联的的传感器。各接电头T的端部包含于壳体22内，以形成一个便于与发动机电控系统的电线束的匹配插头(未示出)相匹配的接电器插头24。一固定卡环26将传感器盖16牢牢地卡固于壳体14上。
现在参照附图1及后续的详细表示某些单件的各附图，将注意力转移到EEGR阀10的内部结构上来。
基座12包括一个带有一与轴线18共轴的进口30的废气通道28及一个沿径向与进口30隔开的出口32。该进口30和出口32两者与发动机排气支管中的相应通道对齐。
一阀座34设置于与进口30同轴的通道28中。同样与轴线18共轴的衔铁-针栓组件36包括一针栓38和一衔铁40。针栓38包括一个下端带一阀头44而上端带一螺栓46的轴42。轴42具有一个正好设置于螺栓46下面并对着该针栓那一端的直角肩形部48。阀头44之形状做成便于与由阀座34中的中心通孔在阀座34中提供的环形阀座表面相配合。螺栓46可通过一些连接件将该针栓连接到衔铁40上，连接件包括一补偿垫片50，一波形弹簧垫52及校准螺帽54。图1表示EEGR阀10的关闭状态，其中阀头44落坐于阀座34上而关闭。
EEGR阀10还包括一下定子件56，一上定子件58及一电磁线圈组件60。件56包括一圆形法兰62。该法兰的下面紧接着的是一直径更小的圆筒壁64，而该法兰的上面紧接着的是一锥形圆筒壁66。一通孔沿中心伸过件56并从其底端到顶端依次包括一更小直径的直圆筒面70，一直角肩形部72及一直的较大直径的圆筒面74。壁66的上缘76是相当尖的，尽管它具有一有限的径向厚度，但该径向厚度与壁66根部的径向厚度相比却是相当小的。壁66的该相当尖的锥形部分是为了改善磁路的磁学特性的，这一点将在以后更详细地说明。
上定子件58与下定子件56协同配合以便在磁路中提供一气隙80。上定子的细节示于图1-2中。件58包括一个笔直的筒形侧壁82。一法兰84在该侧壁的上端部附近围绕该侧壁外面伸出。该上定子件还包括一个笔直的筒形通孔86，该通孔从侧壁82的底部处的小斜切面88处延伸到该件的顶端一向上抬起的凸台92处的较大斜切面90处。一槽94设置于部分法兰84与部分凸台92中，从而为从电磁线圈组件60到连接器插头24的某些接头T上的电连接提供一间隙。
电磁线圈组件60设置于定子56和58之间的壳体14中。该电磁线圈组件60包括一个非金属线圈架96，该线圈架96具有一个与轴线18同轴的笔直筒形管状芯98，及处于该芯件98的两相对轴向端部的大致筒形的上下法兰100和102。一定长度的磁导线绕制于法兰100和102之间的芯件98上以形成一电磁线圈104。
该线圈架最好是一注塑件，其尺寸在车用发动机应用中所遇到的典型极端温度范围内可保持稳定。电接头106和108装于法兰100上，并且形成线圈104的磁导线的各端部分别与电接头106，108电连接。
传感器盖16也是一个注塑件，其具有两个分别连接到接头106，108上的接头T，从而为线圈104与发动机电控系统提供电连接。
为了在由两定子件和壳件14构成的磁路中获得理想的气隙80，重要的是使两定子件56，58精确地相对定位，其中两定子和壳体都是铁磁性的。部分衔铁40沿轴线跨过气隙80，部分在径向上处于壁66和88内部。图7和8中单独示出的一非磁性套110按与两定子件和衔铁-针栓组件36以相互配合的关系来设置。套110具有笔直的筒形壁112，该壁112从其上端的向外弯曲的凸缘部114延伸出来，从而使衔铁40与两定子件隔开。该套110还具有一下端壁，该壁的形状是为三个目的而设计加工的：1)为了使一螺旋弹簧120的下轴向端部落坐而提供一杯形弹簧座118；2)为了使针栓42通过而提供一小的圆孔122；3)为了限制衔铁40向外的行程而提供一止动件。
衔铁-针栓组件36沿轴线18运行时的导向是由一支承件124中的一孔提供的。该支承件124紧配合于下定子件56中心。针栓42在该支承件孔中具有高的滑动配合精度，但摩擦小。
衔铁40的顶视平面图单独示于图3中，该衔铁是铁磁体并包括一个与轴线18同轴的筒形壁126和一个大约在壁126的长度的中部横截壁126的内腔的横向内壁128。壁128具有一中心孔130，该孔130设置的目的是便于将针栓38的上端由紧固装置连接到该衔铁上，该紧固装置包括补偿垫50，波形弹簧52及校准螺帽54。壁128还具有三个离孔130一定距离并均匀分布在孔130外的小放气孔132。
补偿垫50为圆形，其具有相互平行的平端面，在该两端面间开有一个与轴线18同心的直的圆形通孔。如图所示该补偿垫呈锥形。该补偿垫50具有三个作用：1)设置得便于针栓38的上端部通过；2)为弹簧120提供一定位器以便使该弹簧基本上对中地支承于壁128的下表面上；3)使衔铁40相对于气隙80能设定一理想的轴向位置。
波形弹簧垫52的细节示于图5和6中，图中所示之波形弹簧垫都是未压缩的形状。一典型的波形弹簧垫为环形的，但带有三个绕其内圆周等间隔地隔开的小内凸体134，其尺寸设置得便于与校准螺帽54的一部分形成轻微的压配合，从而在将针栓连接到该衔铁上时能将该波形弹簧垫保持在螺帽上，以便于装配。
校准螺帽54的外径包括直的筒形端部136和138，在该两端部之间是一较大的多边形部分140(例如如图4所示的六边形)。端部138的外径与孔130存在一些径向间隙。在校准螺帽54拧入该针栓38的螺栓46前将波形弹簧垫52装到端部138上。当较准螺帽54拧到螺栓46上时，波形弹簧垫52在该六角部140的下肩部和孔130周围的壁128的表面之间被轴向压缩。该螺帽紧固至这样的状态，即肩部48触及补偿垫50以迫使该补偿垫50的上端面承受一定的作用于壁128的平的下表面上的力。该校准螺帽并不与补偿垫50接触。此时，波形弹簧垫52没有沿轴向完全压缩，这种连接允许衔铁40自身在套110内定位，从而更好地与针栓的导向部分对准，该导向部分是由支承件124建立起来的。当该阀工作时，通过最大限度的减小从针栓传递至衔铁或从该衔铁传递至该针栓的任何侧向负荷可使滞后达到最小，而且所公开的用于将该针栓连接到该衔铁上的装置在这方面具有极为有效的作用。
套110固定地定位于该阀内。将该套做成为带有一围绕弹簧座118的顶部的曲线形凸缘142。凸缘142是朝衔铁方向凸起的并设置于该衔铁的下行轨迹中。在凸缘142和侧壁112之间，套110具有一朝下凸的凸缘144，该凸缘抵靠在下定子件56的肩部72上。凸缘142为衔铁40提供一止动作用，用于限制衔铁-针栓组件36朝下位移的程度。
当电磁线圈组件60没有由发动机电控系统流来的电流施加能量时，图1所示的关闭状态发生。在该条件下，由弹簧120施加的力引起阀头44落坐于阀座34上而将阀关闭。一个与包含于传感器盖16的柱体20中的位置传感器相关联的插塞146自偏压在校准螺帽54的上端面上。
随着电磁线圈组件60中由从发动机控制系统来的电流施加的能量逐渐增加，则磁通在该磁路中也逐渐增加起来，该磁路包括两定子件和壳体14，并在气隙80处通过非磁性套110与衔铁40相互作用。这样就产生了逐渐增大的朝下作用于衔铁40上的磁力，从而引起阀头40逐渐打开流道28。放气孔132保证当衔铁运动时衔铁两相对侧的空气压力相等。同时，弹簧120逐渐压缩。并且该自偏压的插塞146保持与校准螺帽54接触，所以该位置传感器总是精确地跟踪着衔铁-针栓组件36的定位而向发动机控制系统发出控制阀的开启程度的信号。
借助于控制补偿垫50的轴向尺寸可使衔铁40相对气隙80进行精确的轴向定位。测量出气隙和阀座间的轴向距离。测量出沿针栓在阀头落坐于阀座上的地方和肩部48之间的轴向距离。基于这两个测量值，可选取补偿垫50的轴向尺寸。以致在衔铁40紧固连接到该针栓并抵住肩部48时，该衔铁40将处于相对气隙一个理想的轴向位置上。
借助于设定校准螺帽54的平的上端面的轴向位置可精确地校准该位置传感器相对该衔铁-针栓组件的轴向位置。该校准螺帽的轴向尺寸至少是在一定程度上讲是最小的。如要求的那样，对该平的上表面加以磨削，以便获得一理想位置，这将使插塞146在抵住该校准螺帽的端部时具有一理想的校准位置。
锥形壁66，肩形部72的尺寸及衔铁侧壁126的厚度都有助于限定磁力-线圈电流特性，尤其是当衔铁侧壁的下端逐渐靠近肩形部72时更是如此。已发现上缘部76的径向厚度及壁66的锥角对确立该特性是很重要的。在一示范性阀中，该壁66的锥角的标称值为9度，上缘部76的径向厚度为0.3175mm，而底部78的径向厚度为1.26mm。上缘部76的外径为24mm。肩形部72的径向厚度为2.68mm，而衔铁侧壁126的径向厚度为大约2.8mm。
虽然上文描述了本发明的一个优选实施例，但应理解：本发明的原理可以以属于下述各权利要求所述范围内的任何形式加以实施。

Claims (10)

1.一种内燃机用电动废气再循环(EEGR)阀，该阀包括一个与一阀座(34)相互配合的阀头(44)，以便有选择地设定废气经设置于所述气道(28)中的所述阀座(34)在一进口(30)和一出口(32)之间的气道(28)中流动的程度；一电磁致动装置带有一电磁线圈(60)及定子结构，该定子结构带有各自与所述线圈(60)相应设置的壁部(56，58)，从而为所述电磁线圈(60)中存在电流时产生的磁通提供一磁路；一衔铁-针栓组件(36)，该组件(36)具有一衔铁(40)和一针栓(38)，该衔铁(40)与所述电磁致动装置以工作方式相连，以致所述衔铁(40)根据所述磁通沿一假想的轴线在所述定子结构中移动，该针栓(38)具有一根从所述衔铁(40)延伸到所述阀头(44)的轴(42)，以致所述阀头(44)与所述衔铁(40)的位移协调地从所述阀座(34)上移开；一螺旋弹簧(120)作用于所述衔铁-针栓组件(36)上，用于推压所述阀头(44)，以致使所述阀头落坐于所述阀座(34)上，此时所述气道(28)因所述电磁线圈(60)中不存在电流而关闭；及一非磁性套(110)，该套件(110)具有沿径向设置于所述定子的侧壁部分(56，58)和所述衔铁(40)之间的大致管状间形侧壁(112)，其特征在于：
所述定子结构具有一个基本上与所述假想轴线同心并与所述衔铁(40)的筒形管状壁部处于近似包围的关系的气隙(80)，该衔铁(40)的筒形管状壁部分由两个相对的但轴向隔开的轴向延伸的壁部分(56、58)限定而成，该两相对的但轴向隔开的轴向延伸壁部分的第一个(56)具有基本上均匀的径向厚度，但第二个(58)的径向厚度从与一内肩形部(72)相邻的远端朝所述第一轴向延伸的壁部(56)逐渐变窄，最终终止在一端部边缘表面上，所述内肩形部(72)与所述第二壁部(58)在离开所述第一壁部分(56)的方向轴向隔开，从而限定构成所述衔铁(40)的轴向行程范围，所述第一和第二壁部分(56，58)与所述气隙(80)一起产生所述磁通，该磁通设置得与所述弹簧一道使所述衔铁(40)产生基本上预定的位移；
所述非磁性套性(110)包括一端壁(118)，该端壁设置用于在所述衔铁-针栓组件(36)的轴向行程范围内与所述衔铁(40)接触，为所述弹簧(120)在所述轴向行程的所述范围内提供一弹簧座(116)。
2.一种内燃机用电动废气再循环(EEGR)阀，该阀包括一个与一阀座(34)相互配合的阀头(44)，以便有选择地设定废气经设置于所述气道(28)中的所述阀座(34)在一进口(30)和一出口(32)之间的气道(28)中流动的程度，一电磁致动装置带有一电磁线圈(60)及，与所述线圈(60)相关设置的定子结构(56，58)，从而为所述电磁线圈(60)中存在电流时产生的磁通提供一磁路；一衔铁-针栓组件(36)，该组件具有一衔铁(40)和一针栓(38)，该衔铁(40)与所述电磁致动装置工作式相连，以及所述衔铁(40)根据所述磁通沿一假想的轴线在所述定子结构中移动，该针栓(38)具有一根从所述衔铁(40)延伸到所述阀头(44)的轴(42)，以致所述阀头(44)与所述衔铁(40)的位移协调地从所述阀座(34)上移开；一螺旋弹簧(120)作用于所述衔铁一针栓组件(36)上用于推压所述阀头(44)，以致使所述阀头落坐于所述阀座(34)上，此时所述气道(28)因所述电磁线圈(60)中不存在电流而关闭；及一非磁性套件(110)，该套件具有沿径向设置于所述定子的侧壁部分(56，58)和所述衔铁(40)之间的大致管状筒形侧壁(112)，其特征在于：
所述非磁性套件(110)还包括一端壁(118)，该端壁设置用于在所述衔铁一针栓组件(36)的轴向行程范围内与所述衔铁(40)接触，从而为所述弹簧(120)在所述轴向行程的所述范围内提供一弹簧座(116)。
3.如权利要求2所述电动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于：所述定子结构(56，58)具有一个基本上与所述假想轴线同心并与所述衔铁(40)的筒形管状壁部处于近似包围关系的气隙(80)，该衔铁(40)的筒形管状壁部分由两个相对的但轴向隔开的轴向延伸的壁部分(56，58)限定而成，该两相对的但轴向隔开的轴向延伸壁部分的第一个(56)具有基本上均匀的径向厚度，但第二个(58)的径向厚度从一内内肩形部(72)相邻的末端朝所述第一轴向延伸的壁部(56)逐渐变窄，最终终止在一端部边缘表面中，所述内肩形部(72)与所述第二壁(58)在离开所述第一壁部分(56)的方向轴向隔开，从而限定构成所述衔铁(40)的轴向行程范围。
4.如前述任一权利要求所述的电动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于：所述第二壁部分(58)的所述端部边缘表面的径向尺寸大约是所述第二壁部分(58)的底部的戏向尺寸的四分之一，而所述衔铁(40)的筒形管状壁的径向尺寸沿径向向内盖住所述肩形部的径向内缘。
5.如前述任一权利要求所述由动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于：所述套件(110)包括一个处于其侧壁(112)和弹簧座(116)之间并位于其端壁中的第一凸缘部(114)，该凸缘部(114)落坐于所述定子结构的一肩形部(92)上并沿径向朝所述第二轴向延伸壁部向内凸伸；一第二缘部(144)，设置于所述第一凸缘部(114)和所述弹簧座(116)之间以便与所述衔铁接触，从而限定所述衔铁-针栓组件的轴向行程的所述范围。
6.如前述任一权利要求所述电动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于：所述衔铁包括一个带有一个与所述轴线同心的孔的横壁，该横壁还包括一个包含一孔的支承件，所述针栓(42)穿过该孔并保持滑动密紧配合，以便对所述衔铁一针栓组件(36)的轴向行程导向；用于将所述针栓(42，36)固定连接到所述衔铁的所述横向壁上的连接装置，所述连接装置包括一个位于所述针栓(42)上对着所述衔铁(40)的所述横向壁的肩形部(48)，一螺栓(46)从所述肩形部(48)延伸穿过所述衔铁(40)的所述横向壁中的所述孔，一环形补偿件(50)带有各相对的轴向面，该轴向面的第一个设置得抵靠住所述肩形部而第二个设置得抵靠住所述衔铁(40)的所述横向壁中的所述孔周围的所述衔铁的所述横向壁，一螺帽(54)拧到所述所述螺栓(46)上并被固紧以便将该螺帽和所述衔铁的所述横向壁之间的波形弹簧垫(52)压缩，从而使所述衔铁(40)自己在所述套件(112)中定位，因此，理想的是没有侧向负荷从所述衔铁(40)传递到所述针栓(42)，该侧向负荷对所述针栓(42)在所述支承件的所述孔中的滑动配合可能存在负面影响。
7.如权利要求6所述电动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于：所述补偿部分(50)为将所述弹簧定位于所述衔铁(40)上而提供一定位器，并且所述补偿部分(50)的轴向尺寸由形成该衔铁(40)与该气隙(80)的相对位置而设置校准。
8.如前述任一权利要求所述电动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于：还包括一个带有一推杆(146)的位置传感器，它随着所述衔铁一针栓组件(36)沿所述轴线的定位而发出所述阀头(44)相对所述阀座(34)的位置信号。
9.如权利要求8所述电动废气再循环(EEGR)，其特征在于：所述螺帽(54)包括一个用于由连接该螺帽(54)的工具结合的多边形表面及一个轴向端面，所述插塞自偏压地随着所述衔铁一针栓组件(36)的位置抵靠在该轴向端面上。
10.如权利要求6至9中任一所述电动废气再循环(EEGR)阀，其特征在于；所述螺帽(54)的所述端表面被磨削到距所述衔铁(40)的所述横向壁保持一理想的距离，从而为所述位置传感器提供理想的校准。
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