CN108443040A - 中重型柴油机用单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器 - Google Patents
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Abstract
一种中重型柴油机用单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，包括磁芯阀座、球阀顶杆底座安装螺帽、球阀顶杆底座、阀针控制杆底座、油嘴安装螺帽和油嘴阀体；磁芯阀座内设置有两个电磁阀，阀针控制杆底座内设置有两个阀针控制杆，油嘴阀体内部设置有两个阀针腔，下端设置有两个喷油嘴，阀针腔内设置有两个与阀针控制杆相连、用于分别控制两个喷油嘴的油嘴阀针。此外，球阀顶杆与高压密封球阀分体设置，通过将球阀顶杆设计为大直径段和小直径段，进一步减小所需的电磁力。该高压共轨喷油器的功能相对于传统喷油器更加适应柴油机喷射柴油的特点，在不提高燃油***压力的条件下，可以进一步改善高压柴油喷射的雾化效果，提高发动机原机排放水平；同时有利优化喷油速率规则，进一步发掘柴油机动力水平。
Description
技术领域
本发明涉及柴油机燃油供给***领域，尤其涉及一种适宜中重型柴油机用的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器。
背景技术
为提高柴油机的燃油经济性和改善发动机原始有害气体的排放量，以及优化柴油机噪音和振动，需要提高空气与燃油混合雾化的效果，以及对燃油喷射率的控制实现先缓后急趋势。当前在市场占绝对主导方案地位的柴油机高压共轨***中，普遍共识和方法是不断地提高共轨***的燃油压力水平提高喷射压力以期增强燃油雾化效果，比如从之前较为普遍的1600bar提高到1800bar、2200bar甚至更高；并利用多次极小油量(0.5～1mg)的预喷射使得喷油速率来实现趋向于理想条件下的放热速率先缓后急的喷射效果；甚至在同一次喷射过程中前期使用与高压油轨中相同的压力进行前一部分时段喷射，在喷油的后一部分时段依靠喷油器体内部的液力放大机构进一步提高喷油器体内以及喷油嘴端喷射压力，以期达到提高喷射速率和加强喷射雾化的效果。
但是，过多地提高燃油高压***压力水平，会导致材质选择、零件尺寸、工艺等方面对加工制造方面更高的要求。另外在目前的柴油机喷油器中只有一个喷油嘴时，由于一个喷油嘴的喷孔孔径和喷孔数量首先要满足正常燃油供给所需的喷射速率要求，因此需要一定的足够的燃油喷射截面积；但预喷射所需的油量又极小，因此喷射所需喷油持续时间短，油嘴针阀升程在还没有充分开启时就要开始关闭，因此极小油量的预喷射往往都是在远低于***燃油压力的嘴端喷射压力下进行，节流严重，导致预喷射这一部分燃油喷射的雾化质量不高，有害于原机的颗粒排放。
目前，双喷嘴喷油器基本上都是针对混合燃料的，如专利文献CN105781836 A公开了一种组合式增压燃油-非增压燃气双电磁混合燃料喷射装置，采用两个电磁阀分别控制燃气和燃油的喷射过程，通过改变两个电磁阀工作状态和工作顺序，喷射装置可实现仅喷射燃油或燃气、两种燃料同时喷射、两种燃料先后顺序喷射等多种工作模式，发动机可在纯燃油或燃油引燃燃气模式下工作；专利文献CN1036670850A公开了一种双燃料喷射器以及使用该双燃料喷射器的共轨燃料***，每个燃料喷射器包括喷射器主体，其限定出流体地连接至第一共轨的第一燃料入口以及流体地连接至第二共轨的第二燃料入口。通过使第一电致动器通电以打开直接操作止挡件来利于从第一喷嘴出口组喷射液体燃料。通过使第二电致动器通电以打开进气阀使得气体喷嘴腔充满压力比阀开启压力大的高压气体燃料来打开传统的弹簧偏置止挡件以促进气体燃料喷射出第二喷嘴出口组，来实现从第二喷嘴出口组喷射气体燃料。
目前尚未有针对柴油机上采用双喷嘴喷油器的应用实例。本发明提供一种中重型柴油机用单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，该喷油器相对于传统方案已有应用的喷油器可以使得燃油喷射模式更加灵活，稳定地获得质量更小的小油量喷射，能够在不大幅提高油轨压力情况下实现更加靠近柴油机理想燃烧所需的喷油速率控制和良好的空气与燃油混合雾化效果。
发明内容
本发明旨在不大幅度提高柴油共轨***压力水平以及柴油机缸盖上喷油器安装空间有限的条件下，发明设计一种具备良好的高压力(达到甚至超过1600巴)燃油密封功能的新式密封球阀控制机构，在此基础上设计出一种紧凑的只有一个喷油器体但具备两组分开独立控制的高压燃油喷孔的喷油器。使得这种新式喷油器比当前传统方案喷油器更加适应柴油机燃烧特点，更加灵活地控制柴油喷射速率，有利于进一步改善高压柴油喷射的雾化效果，提高发动机原机排放水平；有利优化喷油速率规则，进一步发掘柴油机动力水平。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种中重型柴油机用单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，包括磁芯阀座、球阀顶杆底座安装螺帽、球阀顶杆底座、阀针控制杆底座、油嘴安装螺帽和油嘴阀体；其特征在于：磁芯阀座内设置有两个电磁阀，每个电磁阀均具有衔铁压紧环、电磁阀衔铁、磁芯固定压紧环、隔磁环、电磁阀线圈、电磁阀磁芯、气隙调整环、衔铁预紧弹簧和球阀顶杆；球阀顶杆穿设在球阀顶杆底座内，球阀顶杆底座的凹陷内设置有球阀顶杆密封套筒；球阀顶杆在球阀顶杆座内具有大直径段和小直径段，小直径段与球阀顶杆底座的内孔圆柱面精密配合，大直径段与球阀顶杆密封套筒内孔圆柱面精密配合；阀针控制杆底座内设置有两个阀针控制杆；油嘴阀体内部设置有两个阀针腔，下端设置有两个喷油嘴；阀针腔内设置有两个与阀针控制杆相连、用于分别控制两个喷油嘴的油嘴阀针。
进一步的，球阀顶杆底座下端设置有球阀底座，球阀底座中设置与高压密封球阀相匹配的锥形孔，高压密封球阀控制高压燃油与低压回油通道的连通；高压密封球阀主体的大部分处于高压燃油之内，高压密封球阀与球阀底座的锥形孔接触形成一个密封环带，球阀顶杆把高压密封球阀推离球阀底座时，密封环带处产生泄压效果。
进一步的，高压密封球阀与球阀底座的锥形孔接触形成的密封环带所围成的截面积与球阀顶杆的大直径段与小直径段的截面积之差相等或相当。因此高压燃油密封的效果不需要额外的较大的弹簧预紧力来对密封球阀进行压紧，从而可以最大程度地降低电磁阀吸力以及当前方案中衔铁预紧弹簧的预紧力，使其只需满足主要运动件电磁阀衔铁和密封球阀顶杆速度响应性和静止位置限定即可，电磁阀尺寸得以有效减小。
进一步的，两个喷嘴的喷孔的限定，两喷嘴的两组喷孔数量分别为3至6个，总喷孔数由普通方案的8至9个增加到10个甚至11、12个。
进一步的，两个电磁阀在高度方向上相互错开，从竖直方向上看存在部分重叠，可以减小喷油器整体直径。
进一步的，利用衔铁压紧环与球阀顶杆端部的过盈配合产生的摩擦力，把电磁阀衔铁固定在球阀顶杆上。
进一步的，磁芯固定压紧环不是360度完整的环，具有一定度数缺口，利用其与磁芯阀座上的孔的过盈配合，产生摩擦力，固定电磁阀磁芯。
进一步的，控制电磁阀工作通电时，衔铁受力后的运动方向与密封球阀所受高压燃油的压力方向相反。
与现有技术相比，因为有了两组独立控制喷油嘴，在不提高共轨***压力水平的情况下，一个油嘴先喷油然后两个油嘴同时喷油，可以更好地获得趋近于柴油发动机所需的主喷油阶段喷油放热先缓后急的喷射模式。两个油嘴各自喷孔数量灵活搭配，两组喷孔直径按需分别设定，总的喷孔数可以比传统方案只有一个油嘴时更多，在单个喷孔直径相当或者更小的情况下却可以得到更高的最大综合喷射速率，这有助于进一步提高发动机峰值扭矩同时降低氮氧化物的产生，并进一步改善振动噪音水平。
同时，将球阀顶杆设计为大直径段和小直径段，利用高压燃油的液压力，能够进一步减小所需的电磁力。同理，在达到同样大小的电磁力时，可以适当增大一点电磁阀磁芯结构，选择饱和磁通量低一些但成本更低的磁芯材料，降低对稀有贵金属材料钴等的依赖，从而在这方面节约部分制造成本。
当其中一个油嘴喷孔数比传统方案的油嘴喷孔数明显减少时，可以更稳定地获得更小质量的预喷射。喷孔少意味着燃油喷射流通截面积小，在相同燃油预喷量的情况下所需喷油持续期加长，从而使预喷射在更高嘴端压力的情况下进行，预喷射雾化质量更好，从而有助于提高发动机原机的颗粒排放水平。
附图说明
图1是本发明喷油器的整体结构示意图。
图2是球阀局部结构的示意图。
图3是双喷嘴的俯视图。
图4是双喷嘴的剖面图。
图1零件名称：
1、电磁阀接线针脚；2、喷油器端盖；3、磁芯阀座；4、衔铁压紧环；5、电磁阀衔铁；6、磁芯固定压紧环；7、隔磁环；8、电磁阀线圈；9、电磁阀磁芯；10、气隙调整环；11、衔铁预紧弹簧；12、球阀顶杆底座安装螺帽；13、球阀顶杆底座；14、球阀顶杆密封套筒；15、球阀顶杆；16、球阀底座；17、高压密封球阀；18、阀针控制杆底座；19、阀针控制杆；20、油嘴安装螺帽；21、油嘴阀针预紧弹簧；22、油嘴阀体；23、油嘴阀针
具体实施方式
如图1所示，本发明的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器包括磁芯阀座3、球阀顶杆底座安装螺帽12、球阀顶杆底座13、球阀底座16、阀针控制杆底座18、油嘴安装螺帽20和油嘴阀体22。
磁芯阀座内设置有两个电磁阀，每个电磁阀均具有衔铁压紧环4、电磁阀衔铁5、磁芯固定压紧环6、隔磁环7、电磁阀线圈8、电磁阀磁芯9、气隙调整环10、衔铁预紧弹簧11和球阀顶杆15。利用衔铁压紧环4与球阀顶杆15端部的过盈配合产生的摩擦力，把电磁阀衔铁5固定在球阀顶杆15上；磁芯固定压紧环6并不是360度完整的环，而是设计成有一定度数缺口，利用其与磁芯阀座3上的孔的过盈配合，产生摩擦力，固定电磁阀磁芯9。球阀顶杆15的下部穿设在球阀顶杆底座13内。两个电磁阀在高度方向上相互错开，从竖直方向上看存在部分重叠，以减小喷油器整体直径。
球阀顶杆底座13下端设置有球阀底座16，球阀底座中设置有对高压密封球阀进行限位的锥形孔，高压密封球阀17与锥形孔锥面接触形成的环带控制针阀控制油槽53中高压燃油与低压回油通道52的通断。当球阀顶杆15把高压密封球阀17推离球阀底座时，密封环带处产生泄压效果，针阀控制油槽53与低压回油通道52的连通，针阀控制油槽53以及球阀顶杆液压平衡通道51中的燃油压力下降，趋近于低压回油通道52中的压力。
如图2，置于球阀顶杆底座13范围内的球阀顶杆15两段直径有变化，即球阀顶杆在球阀顶杆座内具有大直径段和小直径段，小直径段的直径为R1，大直径段的直径为R2。小直径段与球阀顶杆底座的内孔圆柱面精密配合形成高压密封，大直径段与球阀顶杆密封套筒14的内孔圆柱面精密配合形成高压密封。球阀顶杆密封套筒14下端面与球阀底座16端面精密配合形成高压密封。球阀顶杆直径变化的两段密封分别依靠于两个独立零件一球阀顶杆底座13和球阀顶杆密封套筒14，有利于在零件精加工之后使得两段密封要求的间隙配合通过选配的方式实现，从而降低对孔、轴加工精度的要求。
球阀顶杆15端面在具体加工时，可以加工成具有内球面形状与密封球阀进行接触。或者在球阀顶杆15与密封球阀17之间增加一段零件，其一端加工成内球面或者锥面，另一端加工成平面与球阀顶杆端面接触。
阀针控制杆底座18内设置有两个阀针控制杆19、阀针控制低压油槽53、高压储油槽54、阀针控制腔55、控制腔进油节流孔56、控制腔出油节流孔57。
油嘴阀体22内部设置有两个阀针腔，下端设置有两个喷油嘴两组喷油孔。阀针腔内设置有两个与阀针控制杆19相连，用于分别控制两个喷油嘴的油嘴阀针23。
球阀顶杆15、高压密封球阀17、阀针控制杆19、油嘴阀针23为主要运动零件。在发动机停机状态，即燃油***压力未建立趋近于自然环境压力时，因为预紧弹簧21的弹力，把阀针控制杆19压迫至控制杆底座18上，把油嘴阀针23压迫至油嘴阀体22的下端。衔铁预紧弹簧11把电磁阀衔铁5及球阀顶杆15往上方压迫，依靠气隙调整环10或者磁芯阀座3的孔端面对球阀顶杆15进行限位。此时密封球阀17为自由状态，靠自重静止于零件阀针控制杆底座18上。
自下而上，油嘴阀体22、阀针控制杆底座18、球阀底座16、球阀顶杆底座13、磁芯阀座3之间需要保证良好的同轴位置，在装配时通过相互之间的定位销进行配合限制。
喷油器端盖2外设置有电磁阀线圈针脚1，每一组电磁阀线圈对应2个针脚，共4个针脚。
喷油器工作过程说明：
当发动机起动转动后，首先高压油泵随着转动，油嘴高压储油槽58，以及57、56、55、54、53、51所指各处燃油压力上升。而低压回油通道52与燃油箱之间保持有流通截面积较大的通道，因此该处燃油压力与环境压力相当。发动机起动运转初期，针阀控制油槽53处燃油流向52处，将带动密封球阀17向上运动，最终将与密封球阀底座16锥形面紧密贴合形成高压密封，整个燃油***建立初步高压。
不需要喷油时，电磁阀线圈8处于断电状态，电磁阀衔铁5将不受到电磁阀磁芯9的吸引力。球阀顶杆15中段周围环绕着球阀顶杆液压平衡通道51的高压燃油，而下方端部处于低压回油通道52的低压状态，此时球阀顶杆15因直径差异产生的向下的液压力大于电磁阀衔铁1下方的衔铁预紧弹簧向上的弹簧预紧力，而有向下的运动趋势。球阀顶杆15与密封球阀17将处于紧密接触状态。
阀针控制杆19上方各位置即55、54、53等处压力与***轨压相当的高压状态，液压力朝下，接触压迫喷油嘴阀针23。喷油嘴阀针23中下段周围高压储油槽58处与***轨压相当状态，液压力朝上。因所受液压面积及液压力大小的关系，油嘴阀针23朝下紧贴喷油嘴头部，形成高压密封，喷油嘴喷孔11处将不会有燃油喷射。
当需要喷油时，各零件工作说明如下：电磁阀线圈8通电，电磁阀衔铁5受到向下的吸力，使得电磁阀衔铁5所受电磁力+球阀顶杆15因中段直径差异产生的液压力两者的向下合力>衔铁预紧弹簧11预紧力+密封球阀17液压压紧力两者向上合力，密封球阀17将会在球阀顶杆15的向下推力作用下脱离密封球阀座16密封锥面，阀针控制油槽53及球阀顶杆液压平衡通道51与低压回油通道52相通。球阀顶杆15朝下的移动限位由密封球阀底座16的上端面提供。阀针控制低压油槽53及球阀顶杆液压平衡通道51的燃油压力将下降至与低压回油通道52相当的低压水平，燃油回到油箱。高压储油槽54保持与外部***轨压相当的高压水平。
因在两个节流效果相当的进出油节流孔56和57的作用下，不停地有高压燃油通过节流孔56进入控制腔55，又通过节流孔57流出控制腔，针阀控制杆上方的针阀控制腔55中的燃油最终将会降低到介于高压储油槽54和低压油槽53之间的某个压力水平。此时阀针控制杆19所受向下液压力降低，而喷油嘴阀针23周围高压储油槽58的压力也一直保持与外部***轨压相当的高压水平。最终喷油嘴阀针23所受合力方向向上而向上抬升，喷油嘴喷孔59处将产生高压燃油喷射。
本发明的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器油嘴阀体外径，会比传统方案一组喷孔的油嘴阀体直径7.2毫米增大至12.5至13.5毫米左右，适合在达到一定汽缸直径的中重型卡车、工程机械等较大型柴油机上进行应用。其总高度比传动方案更小，可以减少至15公分左右，在某些场合应用时可以减少喷油器体顶端与上方零部件比如凸轮轴等安装等方面的干涉，使得发动机缸盖上方零部件的布局更加自由。
本发明的为减小电磁阀力而专门设计的利用密封球阀控制杆对密封球阀进行控制的新方案可以被其他领域的液力密封控制借鉴，并不仅限于柴油机燃油***中使用。
Claims (8)
1.一种中重型柴油机用单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，包括磁芯阀座、球阀顶杆底座安装螺帽、球阀顶杆底座、阀针控制杆底座、油嘴安装螺帽和油嘴阀体；
其特征在于：磁芯阀座内设置有两个电磁阀，每个电磁阀均具有衔铁压紧环、电磁阀衔铁、磁芯固定压紧环、隔磁环、电磁阀线圈、电磁阀磁芯、气隙调整环、衔铁预紧弹簧和球阀顶杆；
球阀顶杆穿设在球阀顶杆底座内，球阀顶杆底座的凹陷内设置有球阀顶杆密封套筒；
球阀顶杆在球阀顶杆座内具有大直径段和小直径段，小直径段与球阀顶杆底座的内孔圆柱面精密配合，大直径段与球阀顶杆密封套筒内孔圆柱面精密配合；
阀针控制杆底座内设置有两个阀针控制杆；油嘴阀体内部设置有两个阀针腔，下端设置有两个喷油嘴；
阀针腔内设置有两个与阀针控制杆相连、用于分别控制两个喷油嘴的油嘴阀针。
2.如权利要求1所述的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，球阀顶杆底座下端设置有球阀底座，球阀底座中设置与高压密封球阀相匹配的锥形孔，高压密封球阀控制高压燃油与低压回油通道的连通；高压密封球阀主体的大部分处于高压燃油之内，高压密封球阀与球阀底座的锥形孔接触形成一个密封环带，球阀顶杆把高压密封球阀推离球阀底座时，密封环带处产生泄压效果。
3.如权利要求2所述的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，高压密封球阀与球阀底座的锥形孔形成的密封环带所围成的截面积与球阀顶杆的大直径段与小直径段的截面积之差相等或相当。
4.如权利要求1所述的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，两喷嘴的两组喷孔数量分别为3至6个，总喷孔数为9至12个。
5.如权利要求1所述的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，两个电磁阀在高度方向上相互错开，且从竖直方向上看存在部分重叠。
6.如权利要求1-5所述的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，利用衔铁压紧环与球阀顶杆端部的过盈配合产生的摩擦力，把电磁阀衔铁固定在球阀顶杆上。
7.如权利要求1-6所述的单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，磁芯固定压紧环不是360度完整的环，具有一定度数缺口，利用其与磁芯阀座上的孔的过盈配合，产生摩擦力，固定电磁阀磁芯。
8.如权利要求1所述单体双针阀双喷嘴高压共轨喷油器，其特征在于，控制电磁阀工作通电时，衔铁受力后的运动方向与密封球阀或者其他非球形结构的密封阀所受高压燃油的合力方向相反。
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