CN101338716B - 新式高压共轨电控喷油器 - Google Patents
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Abstract
本发明为新式高压共轨喷油器，由喷油器体，高速电磁铁，控制柱塞、柱塞套和压块套组件，针阀组件，两位两通开关阀构成。喷油器体的中心通孔为阶梯状圆孔，圆柱体形筒状柱塞套装入喷油器体的最小直径肩胛面连接的圆孔中，阶梯状压块套的小直径圆柱体装入柱塞套的内孔中，压块套的大直径圆柱体的环状端面与柱塞套的上端面接触。控制柱塞仍然和柱塞套的内孔实现间隙配合，以便控制柱塞可以在柱塞套内孔中灵活运动，并保证可靠的动密封。柱塞套上仅有一个进油阻尼孔，压块套上仅有一个出油阻尼孔。柱塞套外圆与喷油器体中空的内孔之间无任何密封件，采用过盈配合，实现超高压密封。高速电磁铁包括静铁芯、动铁芯、复位弹簧。针阀组件与传统的柴油机喷油系统用的p系列针阀相同。本发明大大简化精密加工工艺，节省研制周期和研制费用，生产继承性好，便于实现产业化；本发明结构相对简单，密封结构设计可靠、简单，高压燃油的泄漏大大减少，易于在喷油器中建立起高压。实现高压或超高压燃油喷射，以满足日益严格的柴油机排放法规的要求。
Description
所属技术领域：本发明为新式高压共轨电控喷油器，应用于柴油机高压共轨电控喷油系统中。
背景技术：德国Bosch公司的CR系列高压共轨电控喷油系统是当前最先进的柴油机电控喷油系统，其中包括：电控喷油器，高压共轨，高压油泵，调压阀，限压阀，限流器，各种传感器以及电控单元等。而高压共轨电控喷油器是其最核心、最关键的部件包括高速电磁阀部件：动铁芯，激磁线圈，复位弹簧，静铁芯，回油管，大螺母，复位弹簧，动铁芯导向杆，大调整垫圈，导向杆座，小调整垫圈，钢球。控制柱塞及控制柱塞套部件包括：出油阻尼孔，进油阻尼孔，控制柱塞，控制柱塞套，密封圈。喷油嘴部件包括：喷油嘴弹簧，连接柱，针阀以及喷油器体等。
高速电磁阀的功能是实现喷油嘴针阀的开启与关闭，当电磁阀未激励时，由于电磁阀静铁芯内复位弹簧的作用，钢球使控制柱塞套上的出油节流孔关闭，此时，喷油器体中控制柱塞套中控制腔和针阀中的蓄压腔的压力都等于共轨压力，由于控制柱塞上部控制柱塞套中的控制腔作用面积大于针阀中蓄压腔的作用面积，作用于控制柱塞上部的控制腔的压力与喷油嘴弹簧力一起使喷油嘴关闭，喷油器处于不喷油状态。
当电控单元给电磁阀激励时，由于电磁铁的吸力作用，动铁芯向上运动，钢球在控制柱塞套中控制腔液压作用下离开球座，被钢球密封的出油节流孔开启泄油，控制腔油液压力下降到一定数值，此数值决定于出油节流孔和进油节流孔的流量比。此时来自共轨的高压油作用于喷油嘴针阀底部，使喷油嘴针阀升起打开，开始喷油。喷油量决定于喷油嘴的开启持续期(决定于电控单元输出的脉宽)、喷油嘴流量特性、喷油压力及针阀升程。当电磁阀断电，电磁阀的动铁芯在复位弹簧的作用下，向下运动推动钢球落座封闭出油节流孔，控制腔内的油压上升，推动控制柱塞使针阀落座喷油嘴停止喷油。
高压共轨电控喷油器要实现高压喷射，各环节的密封至关重要。其中包括许多高压静密封和动密封。其中，控制柱塞套与喷油器体利用控制柱塞套外圆与喷油器体内阶梯孔实现静配合，并以此实现控制柱塞套在喷油器体中的径向定位，控制柱塞套的肩胛面和喷油器体的中空平面贴合实现控制柱塞套在喷油器体中的轴向定位。但控制柱塞套与喷油体之间还有一个环形槽，此槽内充满超高压燃油。高压燃油在工作时，要经过控制柱塞套径向的一个阻尼孔，即进油节流孔进入控制柱塞套内，然后作用在液压挺杆上，控制针阀实现喷油。此环形槽内的燃油还会利用控制柱塞套肩钾平面与喷油器体中空平面之间的径向间隙泄漏，而且还会利用控制柱塞套的最小外圆与喷油器体内孔之间的轴向间隙泄漏。这两处的泄漏如果不能得到有效的控制，则高压共轨喷油器中的超高压喷射是不可能实现的。其中控制柱塞套外圆肩钾面与喷油器体中空平面之间的径向缝隙，可以通过柴油机传统喷油系统的成熟技术减少缝隙，以实现可靠的静密封。而控制柱塞套外圆与喷油器体内孔之间的轴向间隙形成的泄漏，Bosch公司是在控制柱塞套与喷油器体内孔之间的环形槽内装了一个矩形截面的复合材料的固体密封圈，以实现可靠的密封。但实践已经表明，这个固体密封圈并不可靠，寿命有限，而且随着喷射压力的进一步的提高，其可靠性进一步下降。为此德国BOSCH公司已提出了许多改进方案，这可以从最近德国BOSCH公司申请的一些专利中得到证实。另外，控制柱塞套上有一个进油阻尼孔和出油阻尼孔，这两个孔的大小和比例，对喷油器的喷射特性有很大的影响。一般通过仿真和试验来确定。由于目前大多采用一些商用软件来仿真，这些商用软件都有一定的局限性，再加上仿真使用人员的水平，因此往往仿真结果不能直接作为设计依据，还必须通过最后的试验来确定。而且，常常是只有其中的一个孔不合适，而另一个孔，则是合适的，这时只能使将整个控制柱塞套废弃，再重新加工，这样既浪费材料，又费工时，还影响开发周期。因此本发明试图就这些问题提出改进，设计出密封可靠，寿命更长，喷油特性更为理想的高压共轨喷油器。
发明内容：
本发明的目的就是要克服前述高压共轨喷油器的问题，设计的一种新型高压共轨电控喷油器，使其密封性能明显改善，喷射压力提高，并且可以提高开发效率，缩短研制周期。
本发明提出的新式高压共轨电控喷油器，仍由喷油器体，高速电磁铁，控制柱塞及控制柱塞套部件，针阀组件等组成。其中的高速电磁铁为高速开关电磁铁。由动铁芯、静铁芯和复位弹簧组成。静铁芯中有激磁线圈。当高速电磁铁的动铁芯在驱动电路的驱动下被吸合，向上运动时，带动与其连接在一起的一个动铁芯导向杆向上运动，钢球在控制柱塞套中控制腔中的高压燃油压力作用下离开控制柱塞套上的锥形座面，被钢球密封的出油节流孔开启泄油，控制腔油液压力下降到一定数值，此数值决定于出油节流孔和进油节流孔的流量比。此时来自共轨的高压油作用于喷油嘴针阀底部，使喷油嘴针阀升起打开，开始喷油。喷油量决定于喷油嘴的开启持续期(决定于电控单元输出的脉宽)、喷油嘴流量特性、喷油压力及针阀升程。当电磁阀断电，电磁阀的动铁芯在复位弹簧的作用下，向下运动推动钢球落座封闭出油节流孔，控制腔内的油压上升，推动控制柱塞使针阀落座喷油嘴停止喷油。
按本发明，控制柱塞套分为两件：柱塞套和压块套，其中柱塞套为典型的圆柱形筒状零件，控制柱塞与其内孔精密配合，实现精密的动配合。柱塞套外圆与喷油器体相应的内孔直接为精密的过盈配合，取消了原先一直使用的矩形的复合材料密封圈，用精密的过盈配合实现可靠的轴向间隙静密封。柱塞套的外圆有一个环形槽，该环形槽还有一个径向的进油阻尼孔，一端与环形槽相通，另一端与柱塞套内孔相通。该环形槽与喷油器体的高压燃油的一个径向的进油孔相通。压块套为阶梯状圆柱形零件，其大直径圆柱体一端中心仍为一个圆锥面与钢球配合，此圆锥面中心仍然是一个出油阻尼孔，而压块套的小直径圆柱体中心是一个小直径的圆孔，此小圆孔与出油阻尼孔相通。压块套的小直径圆柱体伸进柱塞套的内孔，实现合适的间隙配合，而压块套的大直径圆柱体的环状端面，紧紧地压在柱塞套的端面上。
按本发明，喷油器体与柱塞套相配合的内孔有一个台肩，此台肩用于控制柱塞套的轴向定位。当柱塞套装进喷油器体后，要保证柱塞套稍稍高出喷油器体中空的肩胛面，当压块套装进控制柱塞套后，在其大直径端面上的调整垫圈、导向套、整定螺母的作用下可保证压块套的环状端面与柱塞套的上端面紧紧的压和，以保证此径向间隙的密封。这样，通过柱塞套外圆与喷油器体内孔的过盈配合，确保了高压燃油经由喷油器体的高压油道流向柱塞套上的进油阻尼孔时，不会出现经由柱塞套外圆与喷油器体内孔之间轴向间隙的燃油泄漏。而压块套大直径环状端面与柱塞套上端面的精密压和，确保了控制腔内的高压燃油经由压块套大直径环状端面与柱塞套上端面之间的径向间隙的密封。控制柱塞与柱塞套之间的径向间隙，由于控制柱塞要在柱塞套内运动，因此只能是间隙配合，这里必然存在一定的泄漏。
按本发明，将控制柱塞装进柱塞套内孔、压块套也装进柱塞套，此时控制柱塞上端面、压块套的小直径圆柱体的下端面和控制柱塞套的内孔封闭的空间即为高压共轨喷油器的控制腔，该控制腔，一方面通过柱塞套上的径向的进油阻尼孔与喷油器体上的高压燃油通道相通，另一方面通过压块套中心的一个小直径油孔、出油阻尼孔、钢球与低压回油通道相通。当电磁铁断电，电磁铁的动铁芯在复位弹簧的作用下，通过支撑动铁芯的导向杆、钢球座使钢球与压块套的圆锥面紧紧贴和，将控制腔的出油阻尼孔封闭，使控制腔的燃油压力上升，当此压力加上针阀复位弹簧力大于针阀体内盛油槽的燃油压力在针阀大、小直径圆柱面连接处的环状面积上的作用力、燃油压力对针阀下端锥面的作用力时，针阀落座，将针阀体上喷油孔封闭，结束喷油，当电磁铁通电，动铁芯吸合，动铁芯通过导向杆、钢球座作用于钢球的向下的压力消失，但此时钢球仍受到控制腔内的向上的高压燃油的作用，因此钢球在控制腔高压燃油的作用下抬起，使出油阻尼孔开启，控制腔的高压燃油经由出油阻尼孔泄流，控制腔的燃油压力下降，当此压力下降到一定的程度，针阀在针阀体内的高压燃油的作用下抬起，针阀体上的喷油孔开启，实现喷油。
按本发明，将原先的控制柱塞套分成两件后，柱塞套上仅有一个进油阻尼孔，而压块套上仅有一个出油阻尼孔，这样当其中的一个阻尼孔不合适时，仅换与此阻尼孔有关的零件即可，这样可以节省研发成本，节省原材料。
按本发明，将原先的控制柱塞套分成两件后，柱塞套的加工大大简化，柱塞套与控制柱塞的配合间隙、配合精度很容易保证。原先的控制柱塞套中与控制柱塞配合的内孔基本是一个盲孔，此盲孔的精加工很困难，其加工精度很难保证，因此势必造成控制柱塞套与控制柱塞的配合间隙不能满足要求，进而影响高压燃油泄漏的控制。
有益效果：
本发明提出的新式高压共轨喷油器，将原先的控制柱塞套分为两件：圆柱形筒状的柱塞套和阶梯状的大小圆柱体组成的压块套。其中柱塞套的加工难度大大减小，而加工精度可大大提高。另外，取消了原控制柱塞套外圆柱面与喷油器体中空的内孔之间的环形槽之间的矩形密封圈，柱塞套外圆柱面与喷油器体内孔直接采用过盈配和，确保了柱塞套外圆与喷油器体内孔轴向间隙的高压密封。此外，将原先的控制柱塞套分成两件后，柱塞套上仅有一个进油阻尼孔，而压块套上仅有一个出油阻尼孔，这样当其中的一个阻尼孔不合适时，仅换与此阻尼孔有关的零件即可，这样可以节省研发成本，节省原材料。
本发明提出的新式高压共轨喷油器，喷油器体的中空的肩胛面和控制柱塞套原先的环状端面之间不再是密封面，因此使喷油器体的中空的肩胛面的加工精度大大降低，而用于使控制柱塞套轴向定位的喷油器体中的一个小直径的环状的中空台肩，其加工精度要求不高，这样使得喷油器体的加工精度大大降低，因此使喷油器体的生产成本大大下降。
附图说明：
图1为新式高压共轨喷油器的结构图
图中：1-喷油器体，2-静铁芯连接套，3-大螺母，4-针阀，5-锁紧螺母，6-针阀体，7-调整垫圈，8-连接套，9-针阀复位弹簧，10-柱塞套，11-控制柱赛，12-小调整垫片，13-导向套，14-整定螺母，15-动铁芯支撑杆，16-大调整垫圈，17-辅助弹簧，18-动铁芯，19-卡圈，20-静铁芯，21-电磁铁复位弹簧，22-钢球座，23-弹簧垫圈，24-o形密封圈，25-o形密封圈，26-压块套，27-钢球，W-进油口，H-低压燃油的回油口，y1至y2-垂直油孔，y3-盛油槽，H0-回油孔，i-进油阻尼孔，k-控制腔，o-出油阻尼孔。
具体实施方案：
下面结合附图对本发明做详细说明：
本发明的具体结构如图1所示。高速电磁铁为高速开关电磁铁，由静铁芯(20)、动铁芯(18)和复位弹簧(21)组成。当高速电磁铁的动铁芯(18)在驱动电路的驱动下，往复运动时，驱动与其连接在一起的动铁芯支撑杆上下运动，进而驱动钢球座(22)、钢球(27)在钢球下出油阻尼孔(0)中高压燃油的共同作用下上下运动，这样就可使由钢球(27)和压块套(26)组成的两位两通开关阀实现开启与闭合。
喷油器体上有高压燃油的进油口(w)，低压燃油的回油口(H)。由高压共轨来的燃油由进油接口(W)进入喷油器体，然后经由轴向的细长油孔(y1)与针阀体(6)的油孔(y2)相通进入针阀体内的盛油槽(y3)。同时经由高压燃油进油口(W)的径向油道、压块套(26)外圆柱面上的环形油槽、进油阻尼孔(I)进入由控制柱塞(11)上端面、柱塞套(10)内孔和压块套(26)的小直径圆柱面的下端面封闭的空腔，此即为控制腔(K)，该控制腔(K)与外界的联系通道就是的上述的进油阻尼孔(i)和压块套(26)中心的出油阻尼孔(o)。控制该控制腔的燃油压力就可实现喷油器的燃油喷射功能。
当高速电磁铁通电，动铁芯(18)吸合，带动动铁芯支撑杆(15)向上运动，这样释放了电磁铁复位弹簧(21)通过钢球座(22)对钢球(27)向下的作用力，而此时钢球(27)下方仍然有通过出油阻尼孔(0)的高压燃油的作用，此作用力使钢球(27)抬起，出油阻尼孔(0)开启，此即两位两通电磁开关阀的开启，此时，控制柱塞(11)上端面作用的高压燃油经过压块套(26)的出油阻尼孔(o)、导向套(13)上的油孔、回油孔(H0)，回油连接孔(H)回到油箱，使控制柱塞(11)上端面的燃油压力下降，进而使针阀(4)的上端面上端压力下降。与此同时，作用在针阀(4)下端锥面上的燃油压力却基本保持不变。因为，尽管此时会有部分高压燃油经过控制柱塞套(10)上的进油阻尼孔(I)、出油阻尼孔(0)泄走。但由于进油阻尼孔(I)和出油阻尼孔(0)之间的明显的流量差，致使进油阻尼孔(I)会形成明显的阻尼，即形成明显的压力差，这样基本上可保证作用在针阀(4)下端锥面上的高压燃油压力不变，当此燃油压力乘上针阀(4)下端锥面在针阀轴向的投影面积所产生的总油压大于控制柱赛(11)上端面的总油压时，针阀(4)抬起，针阀体(6)内的高压燃油经过针阀体(6)下端的喷孔向发动机燃烧室喷油。当电磁铁断电，动铁芯(18)在电磁铁复位弹簧(21)的作用下下降，并带动动铁芯支撑杆(15)向下运动，进而推动钢球座(22)使钢球(27)落座，即钢球(27)与压块套(26)的锥面贴合，使控制腔(K)的回油通道：出油阻尼孔(0)关闭，控制柱塞(11)上端控制腔(K)的油压上升，当此压力大于针阀(4)下端锥面上的油压时，针阀(4)落座，关闭针阀体(6)上的喷油孔，喷油结束。
显然控制高速电磁铁的通电与断电即可实现此高压共轨喷油器的喷油，控制高速电磁铁的通电时刻即可实现喷油定时的控制，控制高速电磁铁的通电时间长短即可实现喷油持续期的控制。
在本发明中，柱塞套(10)外圆柱面和喷油器体(1)中配合的内孔无需任何密封件，直接通过过盈配合，确保柱塞套(10)外圆柱面和喷油器体(1)的中的配合的内孔之间径向间隙无高压燃油泄漏，而压块套(26)的小直径圆柱面与柱塞套(10)内孔之间为一般间隙配合，控制强(K)的高压燃油经由此间隙的泄漏，通过柱塞套(10)的上端面与压块套(26)的环状端面的精密加工，并经整定螺母(14)通过导向套(13)、小垫圈(12)紧密压和而控制。喷油器体(1)中孔内还需要加工一个台肩(或肩胛面)用于控制柱塞套的轴向定位，因此加工精度无需太高，而另一个比较大的中空肩胛面已无密封功能，因此加工精度可大大降低。另外，柱塞套(10)仅有一个进油阻尼孔(I)，而压块套(26)仅有一个出油阻尼孔(0)，这样当其中任何一个阻尼孔不合适时，只要更换相应的零件即可，这样可以节省成本、节省原材料，缩短加工周期和开发周期。柱塞套(10)内孔和控制柱塞(11)仍然是间隙配合，即动配合，因为控制柱塞(11)要在柱塞套(10)内孔中间往复运动，因此只能是间隙密封，这样必然存在泄漏。
本发明提出的新式高压共轨喷油器，将原先的控制柱塞套分为两件：柱塞套(10)和压块套(26)，取消原先控制柱塞套外圆柱面和喷油器体1中空内圆柱面之间的矩形复合材料密封圈，使喷油器的加工难度下降，加工精度大大提高，生产成本下降，开发研制周期缩短，而且原先采用上述矩形复合材料密封圈所带来到密封寿命不长，密封可靠性不高的弊病得以改善，密封性能改善，因此高压燃油的泄漏减少，比较容易在喷油器中建立起高压，实现高压或超高压燃油喷射，以满足日益严格的柴油机排放法规的要求。
Claims (4)
1.一种新式高压共轨电控喷油器，包括喷油器体（1），高速电磁铁，控制柱塞及柱塞套部件，针阀组件，两位两通常闭式开关阀，其特征在于，喷油器体（1）的中心通孔为阶梯状圆孔，其中有三个直径依次递减的中空肩胛面，其中最小直径的中空肩胛面用于圆筒状的柱塞套（10）的轴向定位，柱塞套（10）装入喷油器体（1）中与此最小直径的中空肩胛面连接的圆柱形内孔，柱塞套（10）的下端面与此最小直径的中空肩胛面接触，使柱塞套（10）实现轴向定位，喷油器体（1）的最大直径中空肩胛面用于静铁芯连接套（2）的轴向定位，当静铁芯连接套（2）装入喷油器体（1）中与此最大直径中空肩胛面连接的圆柱形内孔后，静铁芯连接套（2）的下端面通过调整垫圈（16）与此最大直径肩胛面接触，实现静铁芯连接套（2）的轴向定位，而中间直径的中空肩胛面和与此连接的内孔用于压块套(26)的安装，当压块套（26）的小直径圆柱体装入柱塞套（10）的内孔时，压块套（26）的大直径圆柱体即装入与中间直径的中空肩胛面连接的内孔中，当柱塞套装进喷油器体后，柱塞套高出所述中间直径的肩胛面，使得所述压块套（26）的轴向定位不是利用此中间直径的中空肩胛面，而是利用柱塞套（10）的上端面，柱塞套（10）的外圆柱面与喷油器体（1）的中空的圆柱形内孔采用过盈配合，实现柱塞套（10）的外圆柱面与喷油器体（1）的中空的圆柱形内孔之间的轴向间隙的高压密封，压块套（26）的小直径圆柱体装入柱塞套（10）的内孔中，压块套（26）的小直径圆柱体外圆与柱塞套（10）内孔之间是间隙配合，利用整定螺母（14）、导向套（13）和小调整垫圈（12），使压块套（26）的大直径圆柱体的环状端面与柱塞套（10）的上端面之间压紧，实现此二端面之间的径向间隙的密封，在压块套（26）的大直径圆柱体的环状端面与柱塞套（10）的上端面之间不采用密封圈进行密封；
控制柱塞及柱塞套部件包括：控制柱塞（11），柱塞套（10），压块套（26），其中控制柱塞（11）仍为细长的阶梯状的圆柱形的杆件，而柱塞套（10）则为圆柱形的筒装零件，内孔与控制柱塞（11）的最大直径的圆柱面配合，为间隙密封，柱塞套（10）的外圆柱面上有一个环形槽，在此环形槽与内孔之间有一个径向的阻尼孔，此即进油阻尼孔（I），压块套（26）为一个阶梯状的圆柱体，大直径圆柱体的上端面中心是一个圆锥面，小直径圆柱体的中心有一个轴向的圆柱形内孔，此孔与大直径圆柱体上端面之间有一个轴向的阻尼孔，此即出油阻尼孔（O）；
高速电磁铁包括静铁芯（20）、动铁芯（18）、复位弹簧（21），静铁芯（20）通过静铁芯连接套（2）、大调整垫圈（16）安装在喷油器体（1）的与最大直径的中空肩胛面连接的内孔中，动铁芯（18）安装在动铁芯支撑杆（15）上，动铁芯支撑杆（15）上安装在导向套（13）中，动铁芯支撑杆（15）的最大直径圆柱体的下端面安装一个圆柱体状的钢球座（22），此钢球座（22）下是一个钢球（27），此钢球（27）和压块套（26）的大直径圆柱体的上端的外锥面组成两位两通常闭式开关阀；针阀组件由针阀（4）、针阀体（6）和圆柱形螺旋压缩弹簧（9）组成，与常用的p系列的孔式喷油嘴相同。
2.按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于，柱塞套（10）的外圆柱面有一个环形槽，此槽内有一个径向的进油阻尼孔（I），此孔一端通向柱塞套（10）的内孔，压块套（26）的中心有一个轴向的出油阻尼孔（O），此孔一端与压块套（26）上端面的圆锥面相通，另一端与一个与压块套（26）的小直径圆柱体同中心的圆柱形内孔相通，由于柱塞套（10）上仅有进油阻尼孔（I），压块套（26）上仅有出油阻尼孔（O），因此，如果其中某一个阻尼孔不合适，只需更换于此阻尼孔相关的零件，因此可以节省原材料，节省研制时间。
3.按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于，柱塞套（10）内孔，控制柱塞（11）的上端面和压块套（26）的小直径圆柱体的下端面封闭的空间，就是该高压共轨喷油器的关键的控制腔（K），该控制腔（K）通过柱塞套（10）上的进油阻尼孔（I）与高压燃油通道相通，同时通过压块套（26）上的出油阻尼孔（O）与低压回油通道相通，其中进油阻尼孔（I）的孔径要小于出油阻尼孔（O）的孔径。
4.按照权利要求1所述的高压共轨电控喷油器，其特征在于，喷油器的喷射压力可达160MPa。
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