CN102900578A - 压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，适用于以燃油、汽油、天然气、二甲醚、生物燃油等燃料为动力的发动机燃料喷射***。其结构包括：喷油器壳体（1）、喷油咀螺纹套（12），以及沿轴向顺序安装的压电执行器（2）、连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）、阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀弹簧（6）、套筒二（7）、针阀（8）、喷油咀（13）。通过压电执行器（2）在外加电脉冲下的伸缩特性，驱动阀芯（9）的升起与落座，控制高压燃料回油道的开通与闭合，改变整个油道的液压，实现针阀（8）的轴向运动，达到本燃料喷射器按电控单元指令进行快速精确地喷射燃料的目的。

Description

压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器

技术领域

本发明公开了一种压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，应用于内燃机燃料的喷射装置，适用于以燃油、汽油、天然气、二甲醚、醇类、生物燃油等燃料为动力的发动机喷油***。特别适合于汽车发动机电控高压共轨燃料喷射***中使用的燃料喷油器。 

背景技术

汽车是燃料消耗和废气排放的主要源头，由于环保和节油的严峻形势,我国必须加速与排放和节油最密切关联的发动机电控高压共轨燃油喷射***核心技术研发。我国在电控高压共轨燃油喷射***开发方面起步晚，与国外公司在技术上存在较大差距。且国外公司对其实施技术封锁。因此，突破共轨***技术，特别是关键部件开发与制造技术十分重要。 

目前电控高压共轨燃油喷射***已经发展了3代产品。最新的第3代产品以压电控制技术为特征。 使用压电喷油器代替传统电磁阀喷油器是压电控制式电控高压共轨燃油喷射***的特征。压电喷油器是最近两年汽车电子产品商研发和推出的高、精、尖工程技术产品，其关键作用是实现精确喷油控制，是汽车发动机达到理想的燃烧、动力输出和排放工况的关键硬件。 

压电喷油器比传统电磁阀喷油器具有强大的技术优势，其喷射控制原理主要是利用多层压电陶瓷微位移器在外加电场下材料瞬间伸长，驱动喷油咀针阀实现燃料喷射。压电喷油器的响应时间大大优于电磁阀喷油器,它不但可以灵活实现预喷、主喷、后喷的精确控制，而且能快速地把主喷射分多个连续喷射，得到最佳的喷射雾化效果。由于压电喷油器针阀行程可以灵活调整，其燃料喷射控制精度大大提高。因此，压电喷油器可以实现从源头开始控制汽车发动机的排放和节油。 

发明内容

本发明目的在于提供一种压电控制式内燃机燃料喷射器，该喷射器能使发动机在十分短暂的喷油时间里快速实现预喷、多次主喷以及后喷的喷油控制，使发动机的噪声、油耗、排放、输出功率的各项技术指标得以改善。 

实现上述目标的技术方案是：一种压电控制式内燃机燃料喷射器，通过本专利设计的油道结构使控制回油的阀芯（9）的微小位移能够控制高压燃料的回油通道（B）的开通与闭合，改变所设计的油道结构内的液压状态，从而控制喷油针阀（8）的轴向运动。阀芯（9）的升起与落座通过压电陶瓷配件在外加电脉冲状态下的微量伸缩特性来驱动。其特征是：在喷油器壳体（1）和喷油咀螺纹套（12）内沿轴向顺序安装压电执行器（2）、连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）、阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀弹簧（6）、套筒二（7）、针阀（8）、喷油咀（13）。 

与压电执行器（2）连接的行程放大器（3）的锥型尖端与阀芯（9）相接触，并保持一定的预压力（1-30bar）。与行程放大器（3）锥型尖端相接的阀芯（9）***阀块一（4）的进油孔（D）内，阀芯（9）可在进油孔（D）内滑动，阀芯（9）的密封面（K）在阀芯弹簧（10）作用下，与阀块一（4）的回油孔阀座（E）配合构成密封结构。阀芯弹簧（10）还使阀芯（9）在压电执行器（2）复位后能够帮助阀芯（9）复位密封。 

阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀（8）及阀块一（4）、阀块二（5）的进出油孔及油压控制室组成油道结构，利用压电陶瓷配件在外加电脉冲状态下的微量伸缩特性，在压电执行器的作用下驱动阀芯（9）的升起与落座，阀芯（9）产生微小位移可以快速控制高压燃料回油道的开合，从而改变整个油道液压状态，实现针阀（8）的轴向运动，最终达到燃料喷射器按电控单元指令进行快速精确地喷射燃料的目的。 

由于采用上述结构，本发明所设计的压电控制式内燃机燃料喷射器有以下明显效果：1）本发明可以实现更精确、更高频率的高压燃油喷射，使多次喷射更加容易实现，从而使燃油机的噪声、油耗、排放、输出功率的各项技术指标得以改善；2）本发明采用压电陶瓷作为电控的驱动元件，在高压燃油状态下通过压电陶瓷微小伸缩量控制阀芯（9）的轴向位移，达到使用计算机控制***的脉冲信号控制高压燃油精确喷射的目的。由于压电陶瓷本身加电压伸长、去电压恢复自然常态尺寸的过程可以不受外界干扰，可以响应更高喷射频率的要求，因而可以实现更精确、更高频率的高压燃油喷射；3）本发明采用压电陶瓷作为电控的驱动元件，其结构比电磁线圈简单，可以大大降低喷油器产品成本；4）本发明采用阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀（8）及阀块一（4）、阀块二（5）的进出油孔以及油压控制室组成高压燃油通道，通过该设计的油道结构，由压电陶瓷配件在外加电脉冲状态下的微量伸缩来驱动阀芯（9），使高压燃料回油道打开或闭合，从而控制喷油针阀（8）的轴向运动进行燃料喷射。本结构设计科学、简单、可靠，加工制作方便。 

附图说明

图1是压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器整体结构示意图；图2是压电执行器结构简图；图3是行程放大器示意图；图4是阀块一结构示意图；图5是阀芯结构示意图；图6是液路示意图；图7是阀块二结构示意图。 

1-喷油器壳体     2-压电执行器     3-行程放大器     4-阀块一  

5-阀块二          6-针阀弹簧       7-套筒二         8-针阀  

9-阀芯           10-阀芯弹簧      11-套筒一        12-喷油咀螺纹套  

13-喷油咀        14-连接柱        15-垫片         16-叠层压电陶瓷微位移器

17-填充树脂      18-密封壳

a-行程放大器大直径园柱           b-行程放大器小直径园柱

A-进油通道               B-回油通道                C-油压控制室      

D-阀块一的进油孔         E-阀块一的回油孔阀座      F-阀块一的回油孔

K-阀芯密封面             L-阀块二的快放节流孔      M-阀块二的节流孔          

N-阀块二的节流孔

α-加压油腔             β-阀块一油腔             γ-阀块一油腔

δ-高压燃油进油腔       ω-阀块一油腔。

具体实施方式

一种压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，在喷油器壳体(1)和喷油咀螺纹套(12)内沿轴向顺序安装压电执行器（2）、连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）、阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀弹簧（6）、套筒二（7）、针阀（8）、喷油咀（13）。其中阀块一(4)、阀块二(5)的轴向两端面以及喷油咀(13)的上端面和喷油器壳体(1)的下端面均加工成镜面。在喷油器壳体(1)上开有与高压油管接头相连通的进油通道(A)、回油通道(B)，在阀块一（4）、阀块二（5）上分别开有进油孔(D)、回油孔(F)、进油通道(A)、快放节流孔(L)、节流孔(M)、节流孔（N）以及油腔（β）、油腔（γ）、油腔（ω），各进油孔及回油孔依次对接。 

与压电执行器（2）、连接柱（14）、垫片（15）连接的行程放大器（3）的锥型尖端与阀芯（9）接触，并保持一定的预压力（1-30bar）。与行程放大器（3）锥型尖端相接的阀芯（9）***阀块一（4）的进油孔（D）内，阀芯（9）可在进油孔（D）内滑动，行程0.02~0.2mm。阀芯（9）的表面（K）在阀芯弹簧（10）作用下，与阀块一（4）的回油孔阀座（E）配合构成密封结构。阀芯弹簧（10）还使阀芯（9）在压电执行器（2）复位后能够帮助阀芯（9）复位密封。阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀（8）及阀块一（4）、阀块二（5）的进出油孔及油压控制室组成油道结构，通过压电陶瓷配件在外加电脉冲状态下的微量伸缩特性，在压电执行器的作用下驱动阀芯（9）的升起与落座，阀芯（9）产生微小位移，可以快速控制高压燃料回油道的开合，从而改变整个油道液压状态，实现针阀（8）的轴向运动，最终达到燃料喷射器按电控单元指令进行快速精确地喷射燃料的目的。 

所发明的压电执行器（2）外面用防锈密封壳（18）密封，封住内部叠层压电陶瓷微位移器（16）的压电配件，中间填充环氧树脂等密封材料（17）。见图1、2。压电执行器（2）内部的叠层压电陶瓷微位移器（16）的外型为长方体或圆柱体，外型为长方体的叠层压电陶瓷微位移器（16）的尺寸范围为：长方体（长×宽×高：0.5~1.2cm×0.5~1.2cm×3~12cm）；外型为圆柱体的叠层压电陶瓷微位移器（16）的尺寸范围为：长方体（直径×高：Φ0.5~1.2cm×3~12cm）。压电执行器（2）在外加方波脉冲下伸长，其外加方波脉冲驱动电压为50~200V，方波脉冲时间0.1~20ms, 压电元件在外加脉冲方波驱动下的伸长量为元件高度的0.06~.012%。 

实施例所述的行程放大器（3）是由两个直径不同的圆柱、一个圆柱筒和一个预紧弹簧构成。其中直径大的圆柱（a）上端与压电元件接触，直径小的圆柱（b）下端与阀芯（9）接触。预紧弹簧作用在小直径圆柱（b）上，保证行程放大器（3）与阀芯（9）的接触。见图3。行程放大器的两个圆柱的直径之比在0.5~2范围内。行程放大范围在1~4范围内。 

阀块一（4）是一个圆柱状元件，其上开有与阀块一（4）的轴线平行且沿轴线方向的进油孔(D)、回油孔(F)，以及与阀芯（9）构成密封面的回油孔阀座（E），阀块一（4）上开有与进油孔（D）连接的油腔（β），与回油孔（F）连接的油腔（γ），阀块一（4）上开有与进油孔（D）不相通的油腔（ω），如图4所示。密封面（K）的形状如图5所示。阀芯（9）与行程放大器的尖端相连的形状如图6所示，在图6中，由与回油控制阀芯（9）相连的回油孔阀座（E），进油孔(D)的内表面、阀芯（9）的外表面、阀块二（5）的端面配合，构成密封的加压油腔（α）。密封加压油腔（α）的上表面的密封形式可以采用以下几种方式。 

1）阀芯（9）的密封面（K）是平面，回油孔阀座（E）也是平面； 

2）阀芯（9）的密封面（K）是锥面，回油孔阀座（E）也是锥面；

3）阀芯（9）的密封面（K）是球面，回油孔阀座（E）也是球面。

实施例所述阀块二（5）上开有不同大小的节流孔(M)与节流孔(N)，以及一斜置的快放节流孔（L），节流口大小按比列配置，所述阀块二（5）上开有进油通道（A）。阀块二（5）的节流孔(M)通过阀块一（4）上的油腔（ω）与进油通道（A）相连通，阀块二（5）的节流孔(N)、快放节流孔（L）与阀块一（4）的进油孔(D)、油腔（β）连通。如图7。作为变换之一，快放节流孔（L）可以取消，以便降低工艺难度。另一种变换体现在阀块二（5）上的进油通道（A），该通道可以以斜置的方式，连接阀块一（4）的进油通道（A）与喷油咀（13）上的高压燃油进油腔（δ），相应减小阀块一（4）的油腔（ω）。 

实施例所述喷咀针阀上从上到下，依次装有套筒一（11）、针阀弹簧（6）、套筒二（7）。套筒一（11）为一贯通的圆筒，圆筒内表面与针阀外表面紧密配合。套筒一（11）上表面为镜面，与阀块二（5）下表面接触。阀块二（5）的节流孔(M)、节流孔(N)与套筒一（11）的圆筒内部空间连通，与针阀（8）共同构成油压控制室（C）；阀块二（5）的快放节流孔（L）与进油通道（A）及套筒一（11）圆筒的外部空间连通，构成高压燃油进油腔（δ）如图1、6。 

压电执行器（2）、行程放大器（3）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、回油控制阀芯（9）弹簧的轴线平行于喷油器壳体（1）的轴线，但不重合。 

零件安装就位后，拧紧喷油咀螺纹套(12)，使压电执行器（2）、连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）、阀块一（4）、阀块二（5）、喷油咀（13）端面贴合，在阀块一（4）、阀块二（5）、喷油咀（13）之间形成密封面；通过阀芯弹簧（10）的预紧使阀芯（9）的密封面（K）与回油孔阀座（E）的外表面贴和，形成密封面；通过针阀弹簧（6）的预紧使套筒一（11）上表面与阀块二（5）下表面贴和形成密封面，针阀弹簧（6）的预紧同时使喷油咀(13)的内表面与针阀（8）的外表面贴和，形成密封面。 

阀块一（4）的进油孔(D)的内表面、阀芯（9）的外表面、阀块二（5）的端面三者配合，构成密封的加压油腔（α）；阀块二（5）的节流孔(M)、节流孔(N)、套筒一（11）的圆筒内部与针阀（8）上端共同构成油压控制室（C）；阀块二（5）的下端面、套筒一（11）圆筒的外部空间、喷油咀(13)内表面与针阀（8）外表面构成高压燃油进油腔（δ）。 

在充入高压燃油的情况下，维持相同的高压，针阀（8）上端油压大于下端，喷油咀(13)内表面与针阀（8）的密封强势存在。高压燃油从喷油器壳体（1）上端的接头进入进油通道（A），回油通道（B）始终为低压。压电执行器（2）施加加载工作电压时，压电执行器（2）轴向伸长，通过行程放大器（3）将阀芯（9）向下压，连通油腔（β）与油腔（γ），加压油腔（α）快速卸压；同时，阀芯（9）下端面与阀块二（5）贴合，使快放节流孔（L）的油道关闭，迫使油液经节流孔(M)、节流孔(N)流向回油通道（B），在高压燃油进油腔（δ）、油腔（ω）、油压控制室（C）、加压油腔（α）、油腔（γ）中形成梯次减小的油压。其中，高压燃油进油腔（δ）、油腔（ω）保持与进油通道(A)相同的压力，油腔（γ）中油压与回油通道（B）相同。由于油压控制室（C）保留的油压低于高压燃油进油腔（δ）的油压，通过油压分别分别作用于针阀（8）上下端的作用力出现差异，油压控制室（C）一端的压力低于高压燃油进油腔（δ）一端的升力，使针阀（8）迅即向上运动，高压燃油从喷油器针阀(8)与喷油咀（13）之间喷出，实现喷油。 

压电执行器（2）断电时，压电陶瓷恢复自然常态尺寸，阀芯（9）在阀芯弹簧（10）和燃油油压作用下向上升起，复位并恢复密封。高压燃油迅速充满油压控制室（C），使油压控制室（C）油压持续升高到进油通道(A)油压水平，迫使针阀(8)落座，切断喷油通道，停止喷油。 

Claims (8)

1.一种压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，通过本专利设计的油道结构使阀芯（9）的微小位移能够控制高压燃料回油通道（B）的开通与闭合，从而改变所设计的油道结构内的液压状态，控制喷油针阀（8）的轴向运动，阀芯（9）的升起与落座通过压电陶瓷配件在外加电脉冲状态下的微量伸缩特性来驱动，其特征是：在喷油器壳体（1）和喷油咀螺纹套（12）内沿轴向顺序安装压电执行器（2）、连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）、阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀弹簧（6）、套筒二（7）、针阀（8）、喷油咀（13），与压电执行器（2）连接的行程放大器（3）的锥型尖端与阀芯（9）相接触，并保持一定的预压力（1-30bar），与行程放大器（3）锥型尖端相接的阀芯（9）***阀块一（4）的进油孔（D）内，阀芯（9）可在进油孔（D）内滑动，阀芯（9）的密封面（K）在阀芯弹簧（10）作用下，与阀块一（4）的回油孔阀座（E）配合构成密封结构，阀芯弹簧（10）还使阀芯（9）在压电执行器（2）复位后能够帮助阀芯（9）复位，构成密封，阀块一（4）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、阀块二（5）、套筒一（11）、针阀（8）及阀块一（4）、阀块二（5）的进出油孔以及油压控制室组成油道控制结构，通过压电陶瓷配件在外加电脉冲状态下的微量伸缩特性，在压电执行器的作用下驱动阀芯（9）的升起与落座，阀芯（9）产生微小位移可以快速控制高压燃料回油道的开通与闭合，从而改变整个油道液压的状态，实现针阀（8）的轴向运动，最终达到燃料喷射器按电控单元指令进行快速精确地喷射燃料的目的。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，其特征是：所述的压电执行器（2）是指，外面用防锈密封壳（18）密封，封住内部叠层压电陶瓷微位移器（16）的压电配件，在防锈密封壳（18）和叠层压电陶瓷微位移器（16）之间填充环氧树脂等密封材料（17），压电执行器（2）内部的叠层压电陶瓷微位移器（16）的外型为长方体或圆柱体，外型为长方体的叠层压电陶瓷微位移器（16）的尺寸范围为：长方体（长×宽×高：0.5~1.2cm×0.5~1.2cm×3~12cm）；外型为圆柱体的叠层压电陶瓷微位移器（16）的尺寸范围为：长方体（直径×高：Φ0.5~1.2cm×3~12cm），压电执行器（2）在外加方波脉冲下伸长，其外加方波脉冲的驱动电压为50~200V，方波脉冲时间0.1~20ms, 压电元件在外加脉冲方波驱动下的伸长量为元件高度的0.06%~0.15%。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，其特征是：通过采用压电执行器（2）与连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）相结合的方式，帮助实现压电执行器（2）与行程放大器（3）之间准确定位，使压电执行器（2）和行程放大器（3）的力与位移尽量保持在轴线方向上；同时，采用该压电执行器（2）与连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）相结合的方式，保证压电执行器（2）的隔热、隔油，保证压电执行器（2）与连接柱（14）、垫片（15）、行程放大器（3）相互之间的无间隙接触和紧密配合。

4.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，其特征是：所述的行程放大器（3）是由两个直径不同的圆柱、一个圆柱筒和一个预紧弹簧构成，其中直径大的圆柱（a）上端与压电元件接触，直径小的圆柱（b）下端与阀芯（9）接触，预紧弹簧作用在小直径圆柱（b）上，行程放大器的两个圆柱的直径之比在0.5~2范围内，行程放大范围在1~4范围内。

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，阀块一（4）是一个圆柱状元件，其上开有与阀块一（4）的轴线平行且沿轴线方向的进油孔(D)、回油孔(F)，以及与阀芯（9）构成密封面的回油孔阀座（E），阀块一（4）上开有与进油孔（D）连接的油腔（β），与回油孔（F）连接的油腔（γ），阀块一（4）上开有与进油孔（D）不相通的油腔（ω），密封面（K）的形状可以是平面、锥面或球面，阀芯（9）与行程放大器的尖端相连，与回油控制阀芯（9）相连的回油孔阀座（E）、进油孔(D)的内表面、阀芯（9）的外表面、阀块二（5）的端面相互配合，构成密封的加压油腔（α），可以采用以下三种方式构成密封加压油腔（α）的上部密封面（K），1）阀芯（9）的密封面（K）是平面，回油孔阀座（E）也是平面；2）阀芯（9）的密封面（K）是锥面，回油孔阀座（E）也是锥面；3）阀芯（9）的密封面（K）是球面，回油孔阀座（E）也是球面。

6.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，其特征是：所述阀块二（5）上开有不同大小的节流孔(M)与节流孔(N)，以及一斜置的快放节流孔（L），所述阀块二（5）上开有进油通道（A），阀块二（5）的节流孔(M)通过阀块一（4）上的油腔（ω）与进油通道（A）相连通，阀块二（5）的节流孔(N)、快放节流孔（L）与阀块一（4）的进油孔(D)、油腔（β）连通。

7.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，其特征是：所述喷咀针阀上从上到下，依次装有套筒一（11）、针阀弹簧（6）、套筒二（7），套筒一（11）为一贯通的圆筒，圆筒内表面与针阀外表面配合，圆筒上表面与阀块二（5）的下表面接触，阀块二（5）的节流孔(M)、节流孔(N)与套筒一（11）的圆筒内部空间连通，与针阀（8）共同构成油压控制室（C）；阀块二（5）的快放节流孔（L）与进油通道（A）及套筒一（11）圆筒的外部空间连通，构成高压燃油进油腔（δ），通过油压控制室（C）液压变化造成的与高压燃油进油腔（δ）的压差，使喷咀针阀快速升起与落座，控制高压燃油喷射进入内燃机汽缸。

8.根据权利要求1所述的压电陶瓷控制式内燃机燃料喷射器，其特征是：压电执行器（2）、行程放大器（3）、阀芯（9）、阀芯弹簧（10）、回油控制阀芯（9）弹簧的轴线平行于喷油器壳体（1）的轴线，但不重合。

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