压力平衡喷油嘴的面积补偿制造方法以及由该方法制得的压力平衡喷油嘴与流程

本发明涉及一种属于内燃机燃油系统领域；具体为在针阀尾部增加压力平衡结构，使得在针阀开启或关闭状态下，作用于针阀上的液压力合力基本平衡的面积补偿设计制造方法以及由该方法制得的压力平衡喷油嘴。

背景技术：

自柴油机发明以来，无论机械控制的喷油系统还是电子控制的喷油系统，大都使用图1所示的闭式喷油嘴，它是一种技术很成熟的喷油嘴，但是作用在喷油嘴底部的高压燃油对针阀产生很大的向上的液压压力，例如最常用的喷油嘴，针阀直径4毫米，锥面密封直径2毫米，喷油嘴内燃油压力为100mpa，针阀关闭时，如图1a，高压燃油对针阀产生的向上的液压压力高达940多n，随着排放法规的越来越严格，喷油压力已经提高到180mpa以上，作用在针阀上的液压力高达1660n，同时在针阀上升后，如图1b,高压燃油进入针阀密封线以下，作用在针阀的液压压力提高到2200n以上。现有的共轨电磁铁气隙在0.1毫米时，最大吸力为100～200n,无法直接控制喷油嘴的开启与关闭。必须通过二位二通伺服阀，将电磁力转化为强大的液压力，才能控制喷油嘴的开启与关闭。

压电晶体控制的共轨喷油器，一般也是通过伺服阀来控制喷油嘴的开关，但是压电晶体产生的力可达数千n，现在用压电晶体直接控制喷油嘴开关的共轨喷油器已经生产问世，见人民交通出版社徐家龙主编的柴油机电控喷油技术(第二版)p98。由压电晶体直接控制共轨喷油器中喷油嘴的开启与关闭，喷油器结构简单，响应速度快。

技术实现要素：

本发明的目的在于：在于提供一种面积补偿设计制造方法以及由该方法制得的压力平衡喷油嘴，通过使喷油嘴的针阀2尾部处于共轨高压压力状态，实现当针阀关闭或开启，都可以使作用在针阀2上的液压压力合力基本平衡；从而可以用电磁铁不必通过伺服阀，直接控制喷油嘴的开启与关闭。

本发明通过如下技术方案实现：一种压力平衡喷油嘴的面积补偿制造方法，对针阀尾部增加压力作用的面积，通过增加的压力作用面积构造封闭容积，引入高压燃油，对针阀产生向下的液压压力，使针阀在开启或关闭状态下，作用在针阀上的液压力合力控制在电磁铁可控范围内，从而可以用电磁铁不用伺服阀，直接控制喷油嘴的开启与关闭。

一种压力平衡喷油嘴，它包括阀座1、针阀2，在针阀尾部设有压力调节结构，压力调节结构与针阀尾部以及阀座1共同形成封闭的平衡室s3，针阀在开启时，将作用于针阀头部的高压燃油引入平衡室，使针阀在开启或关闭状态下，作用在针阀上的液压力合力小于电磁铁吸力可控范围。

压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套3，平衡套的内孔侧壁呈阶梯状，平衡套3内孔的上部内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合，平衡套3内孔的上部内轮廓与针阀2中部直径为d1的导向段外轮廓相精密配合，使得阶梯状构成密封空间平衡室s3，针阀2中设有中孔201，针阀尾部设有连接中孔201和平衡室s3的尾部通孔204，针阀2头部连接中孔201和针阀头端锥面203密封线以下的尾部通孔202。

压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套32，平衡套内孔的内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合，阀座1中部通孔的上部设有环状槽，平衡套3底面为精密端面301且精密端面301通过外力紧贴于阀座1顶面的高精度端面102上，并与环状槽共同构建形成平衡室s3；针阀2中设有中孔201，针阀尾部设有连接中孔201和平衡室s3的尾部通孔204，针阀2头部连接中孔201和针阀头端锥面203密封线以下的的尾部通孔202。

压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套32，平衡套内孔的内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合，针阀2的平衡段和导向段之间设有环形槽205，平衡套3底面为精密端面301且精密端面301通过外力紧贴于阀座1顶面的高精度端面102上，并与环形槽205共同构建形成平衡室s3；平衡套32上设有进油孔302，进油孔302与平衡室s3之间位置关系满足针阀上升后相通、针阀下降后错位；针阀2中设有中孔201，针阀2上还设有横孔207，所述横孔207实现阀座的盛油槽107与中孔201相通，所述中孔201系盲孔。

压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套32，阀座1内孔上部设有环状槽106，所述环状槽106直径略大于针阀2中部直径d1；平衡套3外侧下部外轮廓与阀座1的环状槽106相配合；平衡套内孔的内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合；平衡套3下端面与针阀2以及阀座共同构成平衡室s3；

针阀2尾部直径d3部分加一个平衡套3，平衡套3下部的外圆与阀座1的槽106相配合，106直径可以比d1大1-2毫米，平衡套3的内孔与针阀d3外圆相配合，平衡套3下端与针阀2，阀座1共同构建形成平衡室s3；

针阀2中心设有中心孔201，针阀2的平衡段上设有小槽205，小槽205通过针阀2开设的尾部通孔204与中心孔201连通，

平衡套3下部还设有平衡套通孔302，平衡套下部外周还设有实现平衡套通孔302与平衡室s3相通的削偏位303；其中，平衡套通孔302小槽205之间的位置满足针阀上升后相通、针阀下降后错位；

针阀2上还设有横孔207，所述横孔207实现阀座的盛油槽107与中孔201相通，所述中孔201系盲孔。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：

1、采用面积补偿法设计的喷油嘴基本保持原喷油嘴的外形和制造工艺，喷油嘴上方处于共轨高压压力状态，同时当针阀关闭或开启，都可以使作用在喷油嘴上的液压压力合力为零，或大大减少到电磁铁可控范围之内。从而可以用电磁铁不必通过伺服阀，直接控制喷油嘴的开启与关闭。

附图说明

图1为现有的闭式喷油嘴受力状况；其中，a为针阀关闭；b为针阀开启；

图2为本发明的第一个实施例；

图3为图2中h处的放大图；

图4为本发明的第二个实施例；

图5为图4中j处的放大图；

图6为本发明的第三个实施例；

图7为图6中f处的放大图；

图8为本发明的第四个实施例；

图9为图8中g处的放大图；

图10为安装本发明的压力平衡喷油嘴的共轨喷油器：

图11为共轨喷油器的针阀和衔铁；

图12为共轨喷油器的电磁铁定铁芯。

标号说明：

1阀座、101进油孔、102高精度端面；103环形通道、104阀座锥面、105喷油孔、106环状槽、107盛油槽、16弹簧、19密封钢球、2针阀、201中孔、202头部通孔、203针阀头端锥面、204尾部通孔、205环形槽、206环形槽上端面、208环形槽下端面、207横孔、3平衡套、301精密端面、302进油孔、303削偏位、4插座、5螺套、6喷油器体、601喷油器进油孔a、602喷油器进油孔b、603导线引出孔、7垫片、8限位套、801限位套横孔、802限位套端面、9衔铁、901通油孔、10线圈、11电磁铁定铁芯、1101上铁芯、1102导磁环、1103隔磁环、1104下铁芯、12回位弹簧、14螺钉、15压紧垫片、1501压紧垫片上端面、16压紧弹簧、17螺套、20防松垫片、21调节垫片、22垫片。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

本发明通过如下技术方案实现：一种压力平衡喷油嘴的面积补偿设计制造方法，对针阀尾部增加压力作用的面积，通过增加的压力作用面积构造封闭容积，引入高压燃油，对针阀产生向下的液压压力，使针阀在开启或关闭状态下，作用在针阀上的液压力合力控制在电磁铁可控范围内，从而可以用电磁铁不用伺服阀，直接控制喷油嘴的开启与关闭。

以上方法可称为面积补偿法，就是在针阀尾部增加一些面积，并以这些面积构造几个封闭容积，引入高压燃油，对针阀产生向下的液压压力，来平衡作用在针阀向上的液压压力，使针阀在开启或关闭的状态下，作用在针阀上的液压力合力大体为零，或减少到电磁力可控制的准平衡状态。

采用上述方法可以保证喷油嘴基本保持原喷油嘴的外形和制造工艺，喷油嘴上方处于共轨高压压力状态，同时当针阀关闭或开启，都可以使作用在喷油嘴上的液压压力合力为零，或大大减少到电磁铁可控范围之内。从而可以用电磁铁不必通过伺服阀，直接控制喷油嘴的开启与关闭。

如图2-9所示：一种压力平衡喷油嘴，它包括阀座1、针阀2，在针阀尾部设有压力调节结构，压力调节结构与针阀尾部以及阀座1共同形成封闭的平衡室s3，作用于针阀头部密封线以下的高压燃油引入平衡室，使针阀在开启或关闭状态下，作用在针阀上的液压力合力小于电磁铁吸力可控范围。其中优选针阀上的液压力合力大体为零。

以上方法的设计思路如下：

参考图1a，在油嘴关闭时，作用在针阀上向上的液压力,不计气缸中气体压力：

f2＝π/4*(d1^2-d2^2)*p1(1)

式中p1共轨压力180-200mpa

d1针阀2的导向直径

d2针阀2的锥面和阀座1的锥面接触密封直径

在油嘴关闭时，作用在针阀上向下的液压力为

f1＝π/4*(d1^2)*p1(2)

参看图2，为了平衡f2，在针阀2尾部设置一段直径为d3的圆柱，即上文的平衡段，加一个平衡套3，平衡套3上部内孔与针阀2尾部直径为d3的圆柱相精密配合，平衡套3的下部内孔与针阀2直径为d1的圆柱相精密配合，这样油嘴外面的高压共轨压力p1不直接作用在针阀2的导向直径d1上，而直接作用在针阀2的d3直径上，向下的液压作用力为：

f3＝π/4*(d3^2)*p1(3)

由(1)和(3)式求出作用在针阀2的液压力平衡时的d3

d3^2＝d1^2-d2^2(4)

参看图1b，油嘴针阀开启后，燃油进入密封线直径d2以下，附加向上的液压力f21为：

f21＝π/4*d2^2*p2(5)

式中p2s2室内的液压压力

参看图2，在针阀中设置中孔201，密封线直径d2以下设斜孔202，它连接201孔。s3室经204孔联通201孔，针阀开启后，压力为p2的高压燃油经202、201、204孔进入s3室内，产生向下的液压力f31为：

f31＝π/4*(d1^2-d3^2)*p2＝π/4*(d2^2)*p2(6)

正好与方程(5)的力大小一样，作用力方向相反，使针阀在开启或关闭的状态下，作用在针阀上的液压合力大体为零。这样电磁铁就可以直接控制喷油嘴的开启与关闭。

方程(4)仅在喷油器喷油嘴上方处于共轨高压之下才成立，它揭示了在这种情况下，针阀2的导向直径d1、锥面接触密封直径d2和平衡直径d3，当喷油嘴关闭时，为达到作用在针阀2上的液压合力大体为零的必要条件。针阀开启后，s2室内压力为p2的高压燃油经202、201、204孔进入s3室内，产生向下的液压力，与燃油进入密封线直径d2以下的s2室，产生附加向上的液压力平衡：

同时结构简单，与现有的油嘴结构相似，工艺继承性较好。

根据压力平衡喷油嘴具体结构，本发明可以延伸出以下几种实施例：

实施例1

如图2、3所示：压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套3，平衡套的内孔侧壁呈阶梯状，平衡套3内孔的上部内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合，平衡套3内孔的上部内轮廓与针阀2中部直径为d1的导向段外轮廓相精密配合，使得阶梯状构成密封空间平衡室s3，针阀2中设有中孔201，针阀尾部设有连接中孔201和平衡室s3的尾部通孔204，针阀2头部连接中孔201和针阀头端锥面203密封线以下的头部通孔202。

在中孔201的顶部填充有密封钢球19。

工作时，共轨管中燃油压力为p1，它从阀座1的进油孔101进到盛油槽102，经过环形通道103，进到阀座1的阀座锥面104处，当电磁铁断电，针阀2的锥面203紧压在阀座锥面104上，液压压力为p1的高压燃油在密封线d2以上，对针阀2产生的向上的液压力，正好被作用在针阀2的d3上，压力为p1对针阀2产生的向下压力相平衡。

电磁铁通电，针阀2上升，针阀头端锥面203离开阀座1的阀座锥面104，高压燃油从针阀头端锥面203和阀座锥面104之间的间隙进入s2室，一部分经过几个喷油孔105，喷到柴油机燃烧室中，另一方面s2室内的高压燃油压力为p2，因为两个锥面之间的最大流动截面积，是几个喷油孔直径的十倍左右，所以s2室的压力p2大约是p1的95％-97％，在此近似看作p1＝p2，s2室中的压力为p2的高压燃油依次经过头部通孔202、中孔201、尾部通孔204进入s3室，产生与s2室内作用力大小相等，方向相反的液压力。因为液压压力为p1的高压燃油，在密封线d2以上，对针阀2产生的向上的液压力，已经被作用在针阀2的d3上，压力为p1对针阀2产生的向下压力相平衡。从而使作用在针阀2上的所有液压合力为零。

当电磁铁断电，针阀2向下运动，针阀头端锥面203离开阀座锥面104很近时，两个锥面之间的流通截面积，小于几个喷油孔截面的总面积，此时进入s2室的燃油少于从喷油孔105流出的燃油，s2室中，燃油压力下降，s3室内燃油压力也随之下降，由于针阀2下降，s3室体积增大，s3室内的燃油压力下降更快，从而使s3室内燃油卸载，这便于针阀2下一次上升。因为如果s3室内的燃油不卸载，压力一直保持p1大小，则针阀2的锥面碰到阀座1的锥面，作用在针阀2上，有一个附加压力，当时高压燃油尚未进入s2室，电磁铁很难拉动针阀2上升。所以此时s3室内的燃油要卸载，电磁铁才能拉动针阀2上升，一旦高压燃油进入s2室，产生向上的燃油压力，与s3室中燃油压力相平衡，针阀就可以随电磁铁衔铁一起上升。钢球19与针阀2的中孔201紧密配合，来密封201中的高压燃油。

实施例2

如图4、5所示：压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套3，平衡套内孔的内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合，阀座1中部通孔的上部设有环状槽，平衡套3底面为精密端面301且精密端面301通过外力紧贴于阀座1顶面的高精度端面102上，并与环状槽共同构建形成平衡室s3；针阀2中设有中孔201，针阀尾部设有连接中孔201和平衡室s3的尾部通孔204，针阀2头部连接中孔201和针阀头端锥面203密封线下的尾部通孔202。在中孔201的顶部填充有密封钢球19。

实施例2是实施例1的改进，针阀2尾部台阶式平衡套3改为平衡直套3，它的内孔和针阀2上直径为d3的部分相精密配合，平衡套3的精密端面301在外面压力p1等外力作用下(如弹簧16)，与阀座1的高精度端面102贴紧，构成密封空间s3室，在针阀2开启升起时，进入s2室的高压燃经过孔202头部通孔、中孔201、尾部通孔204进入s3室，产生的力正好与s2室的燃油作用力相平衡。

实施例3

如图6、7所示：压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套3，平衡套内孔的内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合，针阀2的平衡段和导向段之间设有环形槽205，平衡套3底面为精密端面301且精密端面301通过外力紧贴于阀座1顶面的高精度端面102上，并与环形槽205共同构建形成平衡室s3；平衡套32上设有进油孔302，进油孔302与平衡室s3之间位置关系满足针阀上升后相通、针阀下降后错位；针阀2中设有中孔201，针阀2上还设有横孔207，所述横孔207实现阀座的盛油槽107与中孔201相通，所述中孔201系盲孔。

针阀2尾端直径为d3的地方，设置平衡直套3，其内孔和d3精密配合，端面301在外部压力p1和弹簧16作用下与阀座1的高精度端面102压紧，形成密封的s3室，在套3上设有进油孔302，它不直接与s3室联通，如图7所示：当针阀2关闭时，它与环形槽205的环形槽端面206有一段距离h，只有当针阀上升h以后，进油孔302才与连接s3室的环形槽205接通，油嘴外部的高压燃油从针阀2外部经过套上进油孔302进入环形槽205再到s3室，对针阀2产生向下的压力，以平衡s2室中高压燃油对针阀产生的向上压力。

针阀2升到顶以后，当电磁铁断电时，针阀2从上向下运动，当下降到环形槽端面206和进油孔302错开切断后，s3室由于针阀2下降空间扩大，压力下降使s3室内高压燃油卸载，以利于下一循环针阀2上升，高压燃油直接从针阀2的中孔201进来，201是盲孔，依序经过横孔207、盛油槽107、环形通道103聚集到针阀2的针阀头端锥面203和阀座锥面104周围，一旦电磁铁通电，针阀2上升，高压燃油即刻从喷油孔105喷到柴油机燃烧室中。

实施例4

如图8、9所示：压力调节结构为套设于平衡段外周的平衡套3，阀座1内孔上部设有环状槽106，所述环状槽106直径略大于针阀2中部直径d1；平衡套3外侧下部外轮廓与阀座1的环状缺口106相精密配合；平衡套内孔的内轮廓与针阀尾部直径为d3的平衡段外轮廓相精密配合；平衡套3下端面与针阀2以及阀座共同构成平衡室s3；

针阀2尾部直径d3部分加一个平衡套3，平衡套3下部的外圆与阀座1的内孔106相配合，106直径可以比d1大1-2毫米，平衡套3的内孔与针阀d3外圆相配合，平衡套3下端与针阀2，阀座1共同构建形成平衡室s3；

针阀2中心设有中心孔201，针阀2的平衡段上设有环形槽205，环形槽205通过针阀2开设的尾部通孔204与中心孔201连通，

平衡套3下部还设有进油孔302，平衡套下部外周还设有实现进油孔302与平衡室s3相通的削偏位303；其中，进油孔302与环形槽205之间的位置满足针阀上升后相通、针阀下降后错位；

针阀2上还设有横孔207，所述横孔207实现阀座的盛油槽107与中孔201相通，所述中孔201系盲孔。

针阀2尾部直径d3部分加一个平衡套3，平衡套3的外圆与阀座1的环状槽106相配合，是比较紧的动配合，环状槽106直径可以比d1大1-2毫米，平衡套3的环状槽106与针阀d3外圆相配合，平衡套3下端与针阀2，阀座1构成密封的s3室。

针阀2设有环形槽205，针阀头部锥面203与阀座锥面104接触时，也就是针阀关闭时，环形槽上端面206与平衡套3上的进油孔302有一段距离h，环形槽205的环形槽下端面208不与s3室联通，平衡套3上设有削偏位303，302孔与削偏位303直接联通，针阀2中心设有中孔201，它是盲孔，在盛油槽107附近设有横孔207，21是调节垫片，可以调节h的大小。高压燃油从针阀2的中孔201进入，针阀2升到h后，中孔201中的高压燃油，经尾部通孔204到环形槽205，经过环形槽端面206，进入进油孔302到平衡套3的削偏位303，再进入s3室，对针阀2产生向下的液压力，以平衡作用在针阀2密封直径d2上向上的液压力。高压燃油经中孔201、环形槽下端面207、盛油槽107、103环形通道，再经过阀座锥面104和针阀头端锥面203的间隙进入s2室，从喷孔105喷到燃烧室中。

当电磁阀线圈断电，则针阀2下降，升程下降到h时，环形槽205的环形槽端面206切断进油孔302，高压燃油进不了s3室，此时由于针阀2下降，s3室体积扩大，s3室内压力减小，s3室高压燃油卸載，从而有利于下一循环，针阀升起，h的大小，可以调节垫片21调整，垫片21的最佳厚度由试验定。

如图10、11、12所示：为与压力平衡喷油嘴的共轨喷油器，上面四种实施例所述的平衡喷油嘴都可以装入。

喷油器体6中部安装有限位套8，垫片7调整限位套8伸出量(电磁铁气隙)，衔铁9的回位弹簧12，以及平衡套3的压紧弹簧16，喷油器体6设有喷油器进油孔a601、喷油器进油孔b602和电磁阀线圈导线引出孔603。

针阀2上安装有平衡套3，衔铁9由螺钉14，防松垫片20和压紧垫片15与针阀2紧紧联接，

电磁铁定铁芯11，是通过焊接技术，将上铁芯1101、隔磁环1103和下铁芯1104焊在一起，能密封衔铁9运动空间内的高压燃油，定铁芯11中装有电磁铁线圈10，和导磁环1102；

参看图10，螺套5将接电磁铁线圈10引出导线的插座4装在喷油器体6的上端部，油嘴压紧螺套17将压力平衡喷油嘴阀座1，针阀2，平衡套3，衔铁9，电磁铁定铁芯11，直接装在喷油器体6的下端部，喷油器体6中部安装有限位套8，调整限位套8伸出量(电磁铁气隙)的垫片7，衔铁9的回位弹簧12，以及平衡套3的压紧弹簧16，喷油器体6设有601喷油器进油孔a、602喷油器进油孔b和电磁阀线圈导线引出孔603.

参看图10，针阀2上安装有平衡套3，衔铁9由螺钉14，防松垫片20和压紧垫片15与针阀2紧紧联接。压紧弹簧16和燃油压力p1将平衡套3的精密端面301，压在阀座1的高精度端面102上，构成压力平衡密封室s3。

图11为电磁铁定铁芯11，通过焊接技术，将上铁芯1101、隔磁环1103和下铁芯1104焊在一起，能密封衔铁9运动空间内的高压燃油，定铁芯11上设有定位销。

工作原理

高压燃油从喷油器体6的喷油器进油孔a601进入，经过喷油器进油孔b602，进入限位套8的内部，经限位套8上的限位套横孔801，进入环槽13，再经过定铁芯上的孔1105和衔铁上通油孔901，进入衔铁9的运动空间，再进入阀座1的进油孔101，进入盛油槽107，环形通道103，到阀座1的阀座锥面104处，当电磁铁线圈通电，吸动衔铁9向上运动直至衔铁9上的压紧垫片15的压紧垫片上端面1501碰到限位套8的限位套端面802为止，衔铁9升程由垫片7调节，垫片22调节衔铁9的上端面到上铁芯1101端面的距离。衔铁9带动针阀2上升，针阀2上的锥面203离开阀座1的锥面104，高压燃油进入s2室，并从喷油孔105，喷到柴油机燃烧室中，s2室中的高压燃油经过斜孔202到达中孔201，再经过204孔进入s3室。对针阀产生向下的液压力，以平衡s2室中高压燃油对针阀产生的向上的液压力，使针阀2处于液压压力平衡状态。

当电磁铁线圈10断电，回位弹簧12将衔铁9和针阀2向下移动，当针阀头端锥面203和阀座锥面104之间的流通截面积小于几个喷油孔总面积时，进入s2室的高压燃油少于从喷油孔105喷出的燃油，s2室压力下降，同时由于针阀2下降，s3室体积增加，所以s3室内压力下降更快，从而使s3室内高压燃油卸载，清除了s3中的压力，从而使下一循环时，针阀2能够在电磁铁的吸力作用下上升。

上述过程反复进行，使柴油机连续不断的运转。

采用本发明面积补偿法设计制造的压力平衡喷油嘴，不必通过精密的伺服阀直接控制喷油嘴的开启与关闭，不仅结构简单响应快，同时由于共轨喷油器内充满高压燃油，精密零件无泄漏，同时无回油，它是环保节能的共轨喷油器。本发明采用面积补偿法设计压力平衡喷油器，可以制造更多的压力平衡喷油嘴，均在本专利保护范围之内。