CN114165374A - 电控喷油器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种电控喷油器，其能实现喷油率柔性可控。该电控喷油器包括器体和在器体内设置的移动通道以及喷油腔，以及在移动通道内设置的针阀、压电执行器，该电控喷油器还包括在器体内设置的高压腔和在移动通道内设置的柱塞；高压腔和喷油腔设置成相通，移动通道设置在高压腔和喷油腔之间；柱塞和针阀串接在移动通道中且可移动地设置，柱塞的自由端由高压腔内的油压施加有第一作用力，针阀的自由端由喷油腔的油压施加有第二作用力，第一作用力大于第二作用力并由此产生压力差，针阀借助于压力差保持在关闭喷油腔的常关位置；压电执行器设置在移动通道内，通电伸长时可顶推针阀，以打开喷油腔。

Description

电控喷油器

技术领域

本发明涉及柴油机共轨系统，尤其涉及电控喷油器。

背景技术

电控喷油器作为第三代大功率柴油机共轨系统核心部件，是燃油喷射正时、持续期、喷油量控制的最终执行器。喷油规律的优化，例如在正常工作循环中的在线构造，在降低柴油机油耗、燃烧噪声、碳烟排放等方面有着直接的影响。在当前保护环境、提升能源燃烧效率和非常严厉的排放标准背景下，喷油规律的柔性可控技术在柴油机技术的发展中越发突出，且具有巨大的技术潜力。

公布号为“CN103195627A”、名称为“直接控制式压电喷油器”的专利申请公开一种电控喷油器，包括喷油器体、压电元件、针阀、针阀底座，压电元件设置在喷油器体里，针阀安装在针阀底座里并与针阀底座形成盛油槽，喷油器体上开设进油油路，盛油槽连通进油油路，还包括控制阀杆、缓冲弹簧，压电元件与控制阀杆直接相连构成压电执行器，控制阀杆连接针阀、并可在压电元件作用下将针阀压向针阀底座，缓冲弹簧安装在控制阀杆上。根据其说明书，当处于伸长状态的压电执行器的压电元件接收到反向控制信号时，压电元件将向上收缩，使得针阀打开，喷油器进行喷油；当喷油器喷油过程中压电执行器接收到正向控制信号时，压电元件由于逆压电效应再次伸长，使得针阀关闭，喷油器结束喷油。然而该喷油器在安全性和可靠性方面有待提高，例如不具有针阀通电时开启、断电时关闭的特性，这使得喷油率柔性可控难以在产品上实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种电控喷油器，其能实现更高的安全性和可靠性。

一种电控喷油器包括器体和在器体内设置的移动通道以及喷油腔，以及在移动通道内设置的针阀、压电执行器，该电控喷油器还包括在器体内设置的高压腔和在移动通道内设置的柱塞；所述高压腔和所述喷油腔设置成相通，所述移动通道设置在所述高压腔和所述喷油腔之间；所述柱塞和所述针阀串接在所述移动通道中且可移动地设置，所述柱塞的自由端由高压腔内的油压施加有第一作用力，所述针阀的自由端由所述喷油腔的油压施加有第二作用力，第一作用力大于第二作用力并由此产生压力差，所述针阀借助于所述压力差保持在关闭喷油腔的常关位置；压电执行器设置在所述移动通道内，通电伸长时可顶推针阀，以打开所述喷油腔。

在一个或多个实施方式中，在所述常关位置所述压电执行器具有第一长度，在通电后能够开始顶推所述针阀的位置所述压电执行器具有第二长度，所述第二长度大于所述第一长度。

在一个或多个实施方式中，所述针阀包括凸肩和针体，所述压电执行器提供有轴孔，所述针体穿过所述压电执行器与所述压电执行器可滑动配合，所述凸肩与所述压电执行器的端部相对，所述压电执行器通电伸长时通过所述凸肩推动所述针阀，断电时所述凸肩与所述压电执行器的端部保持有间距。

在一个或多个实施方式中，所述高压腔为蓄压腔，通过供油通道与所述喷油腔相通。

在一个或多个实施方式中，所述蓄压腔位于所述电控喷油器的顶部，所述供油通道成环状向下延伸并汇聚于所述电控喷油器的底部。

在一个或多个实施方式中，所述移动通道包括低压腔，所述低压腔内设置有弹簧，所述弹簧在所述柱塞和/或所述针阀上沿关闭喷油腔方向施加弹力。

在一个或多个实施方式中，所述针阀与所述柱塞为一体件或分体件。

在一个或多个实施方式中，所述针阀与所述柱塞为分体件，串接位置通过平面和弧面接触。

在前述的电控喷油器中，所述针阀借助于所述压力差而不是通电的压电执行元件的收缩保持在关闭喷油腔的常关位置，因此安全性得以提高，并且压电执行器设置在所述移动通道并套在所述针阀外周侧，通电伸长时可顶推针阀，以打开所述喷油腔，电控喷油器的运行不依赖于施加负向电压，因此电控喷油器具有较高的可靠性。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据一个或多个实施方式的电控喷油器的示意图；

图2是图1所示电控喷油器A处的局部放大视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围的限制。

柴油机在进气行程中吸入的是纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到100MPa以上，通过电控喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高(一般为16-22)，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa甚至更高，同时温度高达750-1000K，大大超过柴油的自燃温度。因此柴油经由电控喷油器喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气经排气管排入大气中。

适合于前述工作原理的电控喷油器如图1所述，包括器体10。在器体10内设置有移动通道8和喷油腔7，在移动通道8中设置有针阀3、压电执行器4。针阀3为细长的针形元件，其底部通常为外锥形。如图2所示，燃油通过喷油腔7后进入到各个喷孔71，从喷孔71喷射入气缸，获得燃油雾化效果。喷油腔7具缩径段72，其为与针阀3的底端在形状上互补的孔，例如为内锥形，针阀3与该缩径段72配合形成锥面密封。“针阀开度”是指针阀3与喷油腔7之间的间距大小，二者配合形成密封时，针阀开度为0，针阀3按照如后所述的方式被顶推到上止点位置，针阀开度最大。压电执行器4为多个交替叠置的压电层和内电极层所组成的压电堆。压电层由压电材料制成，压电材料包括压电晶体或者压电陶瓷。如果将电压施加在压电层上，该压电层就会在垂直于由电压产生的电场的方向上伸展，压电层的优点主要在于速度较快，效率较高，将多个压电层堆叠，通过累计各个压电层的伸展，由此可以实现较大的调节距离。在移动通道8中设置压电执行器4的方式包括但不限于压电层和内电极层都为环形，使得压电执行器4提供有轴孔，容许针阀3从压电执行器4中穿过，或者压电执行器4套在针阀3外周侧；例如在另一实施方式中，针阀对应压电执行器的部分设置成筒状，内置压电执行器。将压电执行器4设置成带轴孔，针阀3从其中穿过，由此获得的有益效果是电控喷油器结构更加紧凑，整体外形更细。

器体10内还设置有高压腔5。高压腔5设置在喷油器的顶端，在图示出的实施方式中，高压腔5为共轨系统的蓄压腔，高压腔5通过供油通道51和喷油腔7相通。在另一实施方式中，高压腔5为从喷油腔7引入油压的腔体，其目的在于将高压腔5和喷油腔7之间的油压调节成接近或者相同的油压，如后所述，这有利于针阀3的快速关闭。

移动通道8在高压腔5和喷油腔7之间设置，如图1所示，移动通道8的上端81与高压腔5相接，下端82与喷油腔7相接，移动通道8基本上从器体10的顶端延伸到底端。柱塞1和针阀3串接在移动通道8中且可移动地设置，柱塞1的上端为自由端，由高压腔5内的油压施加有第一作用力。在图1中，柱塞1的上端承受高压腔5的油压的受力面为柱塞1的上端端面。针阀3的下端为自由端，由喷油腔7的油压施加有第二作用力，如图2所示，针阀3的下端承受喷油腔7的油压的受力面包括锥面101、锥面102和锥面103。第一作用力大于第二作用力并由此产生压力差，针阀3借助于压力差保持在关闭喷油腔7的常关位置，该常关位置就是图1所示的位置。

压电执行器4在移动通道8中设置并套在针阀3外周侧，通电伸长时可顶推针阀3，以打开喷油腔7。

压电执行器4失电后，缩回到其自然状态，针阀3在所述压力差的作用下被向下推动，最终被保持在常关位置，喷油腔7的关闭不依赖于压电执行器4，或者说不依赖于压电执行器4通电后的变形状态，这种不依赖于电源的关闭可以有效地提高喷油器的安全性，防止在失电条件下喷油腔7会被打开而导致的漏油现象。同时，压电执行器4仅由正向电压驱动进行伸展变化，不受负向电压驱动，这有利于提高压电执行器4的可靠性。在压电执行器4失电的情况下，针阀3关闭的动作速度取决于所述压力差，而所述压力差是可配置的，一种配置方式是选择柱塞1的上端受油压的受力面面积大于针阀3下端的受油压作用的受力面面积，由于高压腔5和喷油腔7的压强接近，因此通过调节两个面积比，可以调节所述压力差。所述压力差一方面可以确保针阀3快速关闭喷油腔7，另一方面由于压电执行器4输出功率较大，一旦压电执行器4通电，压电执行器4可以轻松克服所述压力差并快速推动针阀3打开喷油腔7。

图1所示的电控喷油器具有这样的优点，将高压燃油引到柱塞1，通过高压燃油油压将针阀3关闭，避免了复位弹簧等复杂结构设计，且通过合理的面积匹配，高压燃油液压力更大，可实现更快速的关闭响应和更良好的密封；压电执行器4利用压电叠堆通电伸长，输出力和位移，以及断电复位的特性，实现了通电针阀开启、断电针阀关闭(停止喷射)常关式安全喷射控制逻辑。

与电磁先导式电控喷油器相比，图1所示的电控喷油器具有如下优点：

电磁阀的电磁力相对较小，电磁阀响应时间较慢，压电执行器4的直动叠堆驱动力远大于电磁阀，直接驱动针阀3响应迅速，具有较快的动作响应时间，可以实现更多次的喷射，并且压电执行器4与针阀3直接驱动，避免了电磁先导式电控喷油器的电磁阀在电磁、液压环境下运动的不稳定性，多次喷射过程更加稳定可控。

与压电先导控制式电控喷油器相比，图1所示的电控喷油器具有如下优点：压电先导控制式电控喷油器虽然用小型压电执行器替代电磁控制阀，针阀的启闭则依旧是由先导阀控制相应液压回路来控制，响应时间仍不能满足喷油规律的在线自由控制；图1所示的电控喷油器采用压电执行器4直接驱动针阀，实现针阀3运动换向和快速响应，可自由控制针阀开度，进而实现循环内的在线构造。“在线构造”体现为通过调整压电执行器4的驱动电压可以控制压电执行器4的输出位移，进而可以控制针阀3的位移及相应地控制喷油速率，而这个调整过程可以根据不同工况实现更加自由的调整，也可以在喷油器经长期耐久工作后实现在线的修正。压电层不适宜长时间承受负向电压，由于压电执行器4仅受到正向电压驱动，不受负向压电驱动，这使得电控喷油器具有较高的可靠性，使得喷油器具有较高可靠性的“在线构造”功能。

高压腔5为蓄压腔时，通过供油通道51与喷油腔7相通，由此获得的好处是电控喷油器可配置成适用于高压共轨系统，蓄压腔和高压共轨系统的共轨管相接，蓄压腔内的油压同时兼用为驱动针阀3。

移动通道8中设置有低压腔61、62，沿柱塞1和针阀3渗透的燃油进入到低压腔61、62，喷油器10可外配低压回油管，将回油接入到发动机的燃油供给系统中。

继续参照图1，移动通道8的低压腔61设置有弹簧2，弹簧2在柱塞1上沿关闭喷油腔7方向施加弹力。由于配置了弹簧2，即便在没有油压力差的情况下，柱塞1在弹力的作用下向下移动，并推动针阀3，使得针阀3坐落在喷油腔7上，封闭喷油腔7，这样在发动机启动前的吹车阶段起到气密封作用，弹簧2施加的弹力在一个实施方式中为7.8kg，在压电执行器4推动针阀3向上运动的过程中产生的阻力较小，但足以满足关闭喷油腔7形成气密性能。在另一实施例中，弹簧2作用在针阀3上，同样可以起到前述作用。弹簧2在一定程度上还对针阀3的关闭起到辅助作用，针阀3上叠加了弹簧2的向下的弹力以及前述压力差。

在优选实施方式中，在图1所示的位置，即针阀3处于密封喷油腔7的常关位置，压电执行器4处于自然状态，没有伸缩，具有第一长度。在通电后能够开始顶推针阀3的位置，压电执行4具有第二长度，第二长度大于第一长度。换句话说，压电执行器4上电后稍微伸长才能顶推针阀3，第二长度与第一长度之间形成长度差，该长度差例如为1mm。这样可以带来多个好处，如可以避免压电执行器4对针阀3产生过约束，过约束可能导致的后果是针阀3无法完全坐落在喷油腔7上，导致喷油腔7没有完全关闭。针阀3上承载有前述压力差，该压力差产生的载荷被期望由喷油腔7处的结构承受，而不是由压电执行器4来承受，该长度差可以有效地确保这一点。施加于压电执行器4的电压可能存在零位波动，压电执行器4还有可能受温度变化而形变，这些因素导致压电执行器4可能伸长，所述长度差为压电执行器4的可能的变形提供缓冲空间，避免针阀3被意外打开或者密封不严的情况。

继续参照图1，针阀3包括凸肩31和针体30，针体30穿过压电执行器4且与压电执行器4可滑动配合，凸肩31与压电执行器4的端部相对，压电执行器4通电伸长时通过凸肩31推动针阀3，断电时凸肩31与压电执行器4的端部保持有间距，这个间距产生前述长度差，因此通过简易的结构实现了前述长度差带来的各种好处。

在图1中，针阀3与柱塞1为分体件。柱塞1的底部通过弧面与针阀3的顶部平面接触。平面和弧面的接触连接产生浮动连接的效果，确保柱塞1和针阀3之间力的传递方向按照设计的方向进行，例如沿着中心轴线进行传递，因此此处弧面包括球面或椭球面或者能自对中的其他曲面。针阀3与柱塞1设置成为分体件，降低制造难度和装配难度。在另一实施方式中，针阀3与柱塞1为一体件。

继续参照图1，高压腔5位于电控喷油器的顶部，供油通道51呈环状向下延伸并汇聚于电控喷油器的底部的喷油腔7。在图1中仅示出了供油通道51的一个纵向剖面，从其横向剖面来看，供油通道51大致为圆环形，如此可以将高压腔5中的燃油快速输送到喷油腔7。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.电控喷油器，包括器体和在器体内设置的移动通道以及喷油腔，以及在移动通道内设置的针阀、压电执行器，其特征在于，还包括在器体内设置的高压腔和在移动通道内设置的柱塞；

所述高压腔和所述喷油腔设置成相通，所述移动通道设置在所述高压腔和所述喷油腔之间；

所述柱塞和所述针阀串接在所述移动通道中且可移动地设置，所述柱塞的自由端由高压腔内的油压施加有第一作用力，所述针阀的自由端由所述喷油腔的油压施加有第二作用力，第一作用力大于第二作用力并由此产生压力差，所述针阀借助于所述压力差保持在关闭喷油腔的常关位置；

压电执行器设置在所述移动通道内，通电伸长时可顶推针阀，以打开所述喷油腔。

2.如权利要求1所述的电控喷油器，其特征在于，在所述常关位置所述压电执行器具有第一长度，在通电后能够开始顶推所述针阀的位置所述压电执行器具有第二长度，所述第二长度大于所述第一长度。

3.如权利要求1或2所述的电控喷油器，其特征在于，所述针阀包括凸肩和针体，所述压电执行器提供有轴孔，所述针体穿过所述压电执行器与所述压电执行器可滑动配合，所述凸肩与所述压电执行器的端部相对，所述压电执行器通电伸长时通过所述凸肩推动所述针阀，断电时所述凸肩与所述压电执行器的端部保持有间距。

4.如权利要求1所述的电控喷油器，其特征在于，所述高压腔为蓄压腔，通过供油通道与所述喷油腔相通。

5.如权利要求4所述的电控喷油器，其特征在于，所述蓄压腔位于所述电控喷油器的顶部，所述供油通道成环状向下延伸并汇聚于所述电控喷油器的底部。

6.如权利要求1所述的电控喷油器，其特征在于，所述移动通道包括低压腔，所述低压腔内设置有弹簧，所述弹簧在所述柱塞和/或所述针阀上沿关闭喷油腔方向施加弹力。

7.如权利要求1所述的电控喷油器，其特征在于，所述针阀与所述柱塞为一体件或分体件。

8.如权利要求1所述的电控喷油器，其特征在于，所述针阀与所述柱塞为分体件，串接位置通过平面和弧面接触。

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