CN1818370A - 压电控制的内燃机微位移复合式喷油器 - Google Patents

Abstract

一种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其属于内燃机燃油系统的喷油装置。这种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器由于采用压电元件控制喷油正时，喷油正时调节方便，控制精度高，响应性好。在喷油孔的出口位置设有一个偏置β角的内锥角2α，并在伞喷内锥面上开导向油槽，或采用伞喷和多孔相结合，易于控制油束到达燃烧室的指定区域，满足柴油机或直喷式汽油机组织燃烧对混合气的不同要求，因此可以增加内燃机的压缩比，提高热效率，一般燃油消耗率可下降10～20％，HC和NOx排放也有大幅度降低。

Description

压电控制的内燃机微位移复合式喷油器

技术领域

本发明涉及一种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其属于内燃机燃油系统的喷油装置。

背景技术

目前，内燃机共轨燃油系统向燃烧室内喷油的喷油器，大多采用电磁阀来控制作用在喷油嘴针阀上的背压。当作用在针阀上的背压高时，喷油嘴不喷油；当作用在针阀上的背压低时，高压油使针阀上移，喷油嘴就喷油。近年来，利用压电材料通电时会发生膨胀或收缩变形，让变形产生的位移驱动三向阀或二向阀的开闭来控制作用在喷油嘴针阀上的背压已是常用方法。美国专利(US6874475B2)公开的使用压电执行器的燃油喷油器结构，介绍了一种结构简单的使用大活塞和小活塞液压放大压电执行器通电时产生的位移，来控制一个三向阀，该三向阀的开闭直接控制着作用在喷油嘴针阀上的背压。由于喷油嘴的喷油频率很高，大活塞和小活塞频繁工作极易磨损，发生磨损后喷油正时难以保证，甚至干脆就不喷油，而且发生磨损后难以修复，会造成较大的浪费。

在喷油器中的喷油嘴偶件直接会影响内燃机的各项性能指标。一般柴油机常采用多孔喷油嘴，而直喷式汽油机常采用涡流式喷嘴。现在直喷式汽油机为了能进一步提高性能，一般组织稀混合气分层燃烧，即设法把一部分燃油引导到火花塞周围，形成易于点燃的过浓区，以便于进一步提高压缩比。对于靠涡流形成的伞状喷雾，难以形成过浓区。对于多孔喷雾，若无适当的气流配合，难以形成均质混合气。鉴于上述情况，开发一种既适用于柴油机又适用直喷式汽油机的喷油器，在形成均质混合气的同时，又能形成易于燃烧的油气区，并具有良好工艺性和可靠性的喷油器无疑具有重要的环保和节能意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点，开发一种既适用于柴油机又适用直喷式汽油机的喷油器，在形成均质混合气的同时，又能形成易于燃烧的油气区，本发明提供一种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，这种喷油器应把发动机一个工作循环相应负荷的油量以雾状喷入燃烧室，在燃烧室内形成均质的可燃混合气，而且能满足柴油机或直喷式汽油机组织燃烧的不同要求，从而使内燃机的压缩比可以大幅度提高，达到提高经济性、降低排放的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，它在喷油器体中设有一个喷油嘴偶件、一个压电堆和一个由压电堆驱动的控制机构。上述的喷油器体分为上体、中体和下体，并靠螺纹连接成一体，上述的控制机构包括一个带有活塞杆的活塞、一个单向阀和一个柱塞付，在上体内设有碟形弹簧、带有活塞杆的活塞、压电堆和连接电插座的导线1及导线2，在中体中设有一个单向阀、高压的进油道及小油道、低压的回油道1及回油道2，在下体中依次设有一个由柱塞和柱塞套组成的柱塞付、弹簧及弹簧座、垫片和由针阀及针阀体组成的喷油嘴偶件，在柱塞套中设有高压的进油道和低压的回油道，在针阀体中设有高压的进油道，在中体与柱塞套之间靠定位销来保证各自的高压进油道和低压回油道相互连通，在柱塞套、垫片和针阀体之间靠定位销来保证各自的高压进油道相互连通，上述喷油嘴偶件的针阀体的正下方设有一个喷油孔，该喷油孔与针阀的头部形成一个可变截面环状喷油孔，在喷油孔的出口位置设有一个内锥角2α，在针阀体的下端外侧设有一个外锥角δ，在针阀的端部也设有锥面，针阀的升程为50～300μm，针阀端部的外圆柱面直径为0.8～4.0mm。

上述的单向阀采用锥形阀，在锥形阀的下部设有复位弹簧，通电的压电堆产生的位移直接通过活塞和活塞杆驱动锥形阀开启。上述的单向阀也可以采用球形阀，在球形阀的下部设有复位弹簧，通电的压电堆产生的位移直接通过活塞和活塞杆驱动球形阀开启。

上述的内锥角2α为30～155度，内锥角2α的角平分线与针阀的中心线相一致，或与针阀的中心线成夹角β，夹角β为0～30度，上述的外锥角δ为20～120度。上述的内锥角2α的锥面上至少设有1个导向油槽。上述的内锥角2α的锥面上的导向油槽可以是1～24个直径为50～300μm的半圆形、弧形槽，或最大开口为50～300μm的三角形、梯形槽。

在针阀体的下端部周向至少设有一个喷油孔。喷油孔的孔数可以为1～24个，孔径为50～300μm，孔的中心线夹角γ为30～155度。喷油孔中心线和针阀中心线的夹角可以与针阀中心线呈对称布置或非对称布置。

上述技术方案的指导思想是：这种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，在压电堆不通电时，单向阀在复位弹簧的作用下关闭，高压油进入压力腔，柱塞在压力油作用下迫使针阀落座。在压电堆通电时，压电堆膨胀，迫使下面的活塞和活塞杆下移顶开单向阀，压力腔泄油，作用在柱塞上的压力油消失，针阀在高压油的作用下跳起，喷油嘴开始喷油。上述的喷油嘴偶件一般采用下列几种方案：一、采用正置的纯伞喷。二、采用偏置的伞喷，让喷孔出口内锥角2α的角平分线与针阀的中心线成β夹角，是想把一部分燃油引向燃烧室指定区域。三、内锥角2α的锥面上设有导向油槽，以便于把燃油引导到指定区域，有利用混合气的形成和组织燃烧。四、采用伞喷和多孔相结合，更有利于组织缸内局部过浓和整个燃烧室内的均质混合。这种微位移复合式喷油器还可以用于除柴油和汽油以外的如甲醇、乙醇、液化石油气、天然气和其他代用燃料。

本发明的有益效果是：这种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器由于采用压电元件控制喷油正时，喷油正时调节方便，控制精度高。在喷油孔的出口位置设有一个偏置β角的内锥角2α，并在伞喷内锥面上开导向油槽，或采用伞喷和多孔相结合，易于控制油束到达燃烧室的指定区域，满足柴油机或直喷式汽油机组织燃烧对混合气的不同要求，因此可以提高内燃机的压缩比，提高发动机的热效率，一般燃油消耗率要下降10～20％，HC和NOx排放也有大幅度降低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器的结构图。

图2是采用锥形单向阀的局部放大图。

图3是采用球形单向阀的局部放大图。

图4是伞喷偶件环状喷油孔的内锥角对称布置头部放大图。

图5是伞喷偶件环状喷油孔的内锥角非对称布置头部放大图。

图6是具有导向油槽的伞喷偶件头部放大图。

图7是图6中的A向视图。

图8是伞喷和多孔相结合的偶件多孔对称布置头部放大图。

图9是伞喷和多孔相结合的偶件多孔非对称布置头部放大图。

图中：1、针阀体，1a、可变截面环状喷油孔，1b、喷油孔，1c、导向油槽，1d、进油通，2、针阀，2a、锥面，3、垫片，4、弹簧座，5、弹簧，5a、低压油腔，6、柱塞，7、柱塞套，7a、进油道，7b、回油道，8、弹簧，8a、高压油腔，9、中体，9a、小油道，9b、进油道，9c、回油道1，9d、回油道2，10、锥形阀，11、回油接头，12、碟形弹簧，13、活塞，13a、活塞杆，14、密封垫，15、压电堆，16、上体，17、导线1，17a、导线2，18、压紧套，19、电插座，20、21、定位销，22、下体，23、阀座，23a、下油孔，23b、侧油孔，24、球形阀，25、弹簧，25a、高压腔，A、进油口，B、回油口。

具体实施方式

在图1、2所示的实施例中，喷油器本体由上体16、中体9和下体22靠螺纹连接成一体，在上体16中依次装有碟形弹簧12、带有活塞杆13a的活塞13和压电堆15，压电堆15靠导线117和导线217a与电插座19进行电连接，并靠压紧套18把压电堆15等部件紧固在上体16中。上体16在安装到中体9上时应加装密封垫14，活塞杆13a应可活动地插入中体9的相应孔中。

在中体9上设有高压油进口A、高压进油道9b、高压小油道9a和高压油腔8a，还设有回油道19c、回油道29d、回油接头11和回油口B，在高压油腔8a内还设有由锥形阀10和复位弹簧8组成的单向阀，小油道9a把进油道9b和高压油腔8a连通。

在下体22中依次装有由针阀体1和针阀2组成的喷油嘴偶件、垫片3和柱塞付，柱塞付由柱塞6和柱塞套7组成，在柱塞套7中设有高压进油道7a、回油道7b和低压油腔5a，回油道7b与低压油腔5a连通，在低压油腔5a中设有弹簧座4和弹簧5。在针阀体1内设有高压进油道1d。为使上述的进油道和回油道能正确定位，在中体9和柱塞套7之间设有定位销20，在柱塞套7、垫片3和针阀体1之间设有定位销21。

图3示出了设在中体9中单向阀的另一种结构，该单向阀由阀座23、球形阀24和弹簧25组成，在阀座23的正下方设有使高压油腔25a与柱塞腔连通的下油孔23a，侧面设有使高压油腔25a与小油道9a连通的侧油孔23b。

正如图1、2、3所示的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其工作过程如下：在压电堆15不通电时，喷油器不会喷油。这时单向阀关闭，高压油腔中的油压与进油道中的油压相等，柱塞6在高压油的作用下迫使针阀2落座。在压电堆15通电时，压电堆15发生膨胀变形，而且只能克服碟形弹簧力推动活塞13和活塞杆13a产生位移顶开单向阀，使高压油腔里的压力油泄入回油道29d，由于小油道9a的流通面积小，作用在柱塞6上的油压急剧降低，使针阀2在高压油的作用下克服弹簧5的压力而跳起，进行喷油。一旦压电堆15断电，碟形弹簧12复位，活塞13和活塞杆13a上移，单向阀关闭，高压油腔压力上升，迫使柱塞6推动针阀2落座，喷油停止。为了保证上述的喷油器能可靠工作，设置了一个低压油腔5a，以便于针阀体1和针阀2之间的漏油通过回油道7b泄放。

如图4、5所示，在针阀体1的下端部设有一个喷油孔，喷油孔的出口位置设有一个内锥角2α为90度，内锥角的上方是一个内圆柱面，在针阀体1的下端外侧设有一个外锥角δ为100度。针阀2的头部设有一个外圆柱面，外圆柱面和内圆柱面之间存在间隙。针阀2的端部与针阀体1下端部的喷油孔形成一个可变截面环状喷油孔1a。在针阀2的端部也设有锥面2a，针阀2的最大升程为150μm，针阀2外圆柱面的直径为2.0mm。图4是伞喷微位移喷油嘴的喷油孔内锥角为对称布置，即内锥角2α的角平分线与针阀2的中心线相一致，因此可变截面环状喷油孔1a周向为等截面的。图5是伞喷微位移喷油嘴的喷油孔内锥角为非对称布置，即内锥角2α的角平分线与针阀2的中心线成一夹角β，因此可变截面环状喷油孔1a周向为非等截面的，这有利于引导较多的油至燃烧室的指定区域，以便于组织柴油机或直喷式汽油机不同要求的燃烧。

如图6、7所示，在针阀体1内锥角2α的锥面上设有8个导向油槽1c。均布在锥面上的导向油槽1c是直径为150μm的半圆形槽。

如图8、9所示，该伞喷与多孔组合式微位移喷油嘴是由针阀2和针阀体1组成的一付偶件，与图4、5所示的主要区别是在针阀体1锥形密封段下部的周向设有喷油孔1b。喷油孔1b与针阀2的中心线呈对称布置，喷油孔1b的孔数为6个，孔径为150μm，孔的中心线夹角γ为100度。图8所示喷油孔1b与针阀2的中心线呈对称布置。图9所示喷油孔1b与针阀2的中心线呈非对称布置，其目的是为引导较多的油至燃烧室的指定区域，以便于组织柴油机或直喷式汽油机不同要求的燃烧。

Claims (9)

1、一种压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，它在喷油器体中设有一个喷油嘴偶件、一个压电堆(15)和一个由压电堆(15)驱动的控制机构，其特征是：上述的喷油器体分为上体(16)、中体(9)和下体(22)，并靠螺纹连接成一体，上述的控制机构包括一个带有活塞杆(13a)的活塞(13)、一个单向阀和一个柱塞付，在上体(16)内设有碟形弹簧(12)、带有活塞杆(13a)的活塞(13)、压电堆(15)和连接电插座(19)的导线1(17)及导线2(17a)，在中体(9)中设有一个单向阀、高压的进油道(9b)及小油道(9a)、低压的回油道1(9c)及回油道2(9d)，在下体(22)中依次设有一个由柱塞(6)和柱塞套(7)组成的柱塞付、弹簧(5)及弹簧座(4)、垫片(3)和由针阀(2)及针阀体(1)组成的喷油嘴偶件，在柱塞套(7)中设有高压的进油道(7a)和低压的回油道(7b)，在针阀体(1)中设有高压的进油道(1d)，在中体(9)与柱塞套(7)之间靠定位销(20)来保证各自的高压进油道和低压回油道相互连通，在柱塞套(7)、垫片(3)和针阀体(1)之间靠定位销(21)来保证各自的高压进油道相互连通，上述喷油嘴偶件的针阀体(1)的正下方设有一个喷油孔，该喷油孔与针阀(2)的头部形成一个可变截面环状喷油孔(1a)，在喷油孔的出口位置设有一个内锥角(2α)，在针阀体(1)的下端外侧设有一个外锥角(δ)，在针阀(2)的端部也设有锥面(2a)，针阀(2)的升程为50～300μm，针阀(2)端部的外圆柱面直径为0.8～4.0mm。

2、据权利要求1所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：上述的单向阀采用锥形阀(10)，在锥形阀(10)的下部设有复位弹簧(8)，通电的压电堆(15)产生的位移直接通过活塞(13)和活塞杆(13a)驱动锥形阀(10)开启。

3、据权利要求1所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：上述的单向阀采用球形阀(24)，在球形阀(24)的下部设有复位弹簧(25)，通电的压电堆(15)产生的位移直接通过活塞(13)和活塞杆(13a)驱动球形阀(24)开启。

4、据权利要求2或3所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：上述的内锥角(2α)为30～155度，内锥角(2α)的角平分线与针阀(2)的中心线相一致，或与针阀(2)的中心线成夹角(β)，夹角(β)为0～30度，上述的外锥角(δ)为20～120度。

5、据权利要求4所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：上述的内锥角(2α)的锥面上至少设有1个导向油槽(1c)。

6、据权利要求5所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：上述的内锥角(2α)的锥面上的导向油槽(1c)是1～24个直径为50～300μm的半圆形、弧形槽，或最大开口为50～300μm的三角形、梯形槽。

7、据权利要求4所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：在针阀体(1)的下端部周向至少设有一个喷油孔(1b)。

8、据权利要求7所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：喷油孔(1b)的孔数为1～24个，孔径为50～300μm，孔的中心线夹角(γ)为30～155度。

9、据权利要求8所述的压电控制的内燃机微位移复合式喷油器，其特征是：喷油孔(1b)中心线和针阀(2)中心线的夹角可以与针阀(2)中心线呈对称布置或非对称布置。

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