一种轴向错位控制的高压共轨快速响应喷油器的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种柴油机共轨喷油器，尤其涉及一种快速响应的柴油机共轨喷油器。

背景技术：
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在柴油机的共轨喷油器总成工作过程中，从喷油器接受到喷射开始脉冲信号，到喷油器实现喷射，需要经历一定的延迟时间，这个延迟时间被称为开启延迟时间；而从喷油器接受到喷射关闭脉冲信号，到喷射关闭实现，也需要结束一定的延迟时间，这个延迟时间被称为关闭延迟时间；开启延迟和关闭延迟时间越短，说明喷油器的响应越快，而喷油器响应越快，越有利于喷油器的工作稳定性，有利于提高喷油器总成所适应的发动机转速，也有利于提高发动机的功率密度。为了控制喷油器总成喷射的持续期，目前通用的控制阀的方案是设置一个伺服机构，伺服机构中有一个进出油量孔，利用进、出油量孔的流量差，实现对伺服机构内轨压的控制，进而实现对响应时间的控制。

为了减少持续期，就必须减少喷油器总成喷射过程中的开启或者关闭延迟，如果可以的话，同时减少开启和关闭延迟。目前的电控高压共轨喷油器通常采用的是采用控制阀的开关来实现对控制阀高压腔的液体压强的控制，利用控制阀高压腔和油嘴高压腔的受力平衡来实现对喷射开启和关闭的控制，而控制阀高压腔的液力压强通过在控制阀上分别设置一个进出油量孔，利用进出油量孔的流量变化来实现对控制阀高压腔的液体压强的控制。当前控制阀方案存在的缺点是，在控制腔阀高压腔容积不变的前提下，为了减少开启延迟，就只能增加进、出油量孔的流量差，但是如此的话，就会导致关闭延迟增加；同理，为了减少关闭延迟，就只能减少进、出油量孔的流量差，但是这样会导致开启延迟的增加。也就是说，目前的控制阀解决方案，为了减少持续期，如果通过对进、出油量孔的流量差进行参数匹配，在对开启延迟和关闭延迟的效果上有双曲线效应，最终的实际效果很有限。

技术实现要素：
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本发明的目的是通过对现有结构的喷油器总成进行优化设计，提供一种轴向错位控制的高压共轨快速响应喷油器，减少喷油器总成工作过程中的响应时间，提高响应速度。

本发明采取的技术方案是：

一种轴向错位控制的高压共轨快速响应喷油器，包括喷油器体、执行器、控制阀芯、控制阀座、节流阀、针阀体、针阀、执行弹簧、紧固帽、油嘴弹簧、油嘴弹簧座和执行弹簧座，其特征是：在喷油器体上设有相通的主通油道和高压通油道；在执行器上设计有执行器进油通道和弹簧通道；

在控制阀座上设计有阀芯导向孔、综合容腔、进油锥面、通油环槽、阀座进油道、斜油路通道、阀座上端面、阀座下端面和阀芯腔，阀芯导向孔、进油锥面、通油环槽和阀芯腔同轴设置，通油环槽设置在阀芯导向孔上，阀芯腔和综合容腔设置在阀芯导向孔的上下两端，进油锥面设置在综合容腔与阀芯导向孔的下端面之间，斜油路通道设置在阀座进油道与通油环槽之间，阀座上端面和阀座下端面均为平面；阀芯导向孔的中心与控制阀座中心错位设置；

所述控制阀芯包括阀芯柱和衔铁盘，所述阀芯柱包括导向柱、中间密封段、内凹空间、存油凹槽、端面凹槽、导杆下端面、存油槽锥面、轴向限位柱和弹簧限位段，中间密封段、内凹空间和存油凹槽均设置在导向柱上，轴向限位柱设置在导向柱的下端，弹簧限位段设置在导向柱的上端，端面凹槽设置在导杆下端面的中心处，存油槽锥面设置在存油凹槽的下边上，阀芯柱的导向柱与控制阀座的阀芯导向孔之间为偶件式精密间隙配合关系；所述衔铁盘包括盖顶面和衔铁盘中孔，衔铁盘中孔设置在盖顶面的中心位置，衔铁盘通过衔铁盘中孔与导向柱的过盈配合实现固定一体化连接；喷油器总成装配好后，喷油器总成在不喷油的工作状态下，衔铁盘的盖顶面低于阀座上端面，二者之间形成启闭顶隙；

节流阀包括端面节流通道、侧面节流通道、端面第一斜通道、阀肩侧面通道、端面第二斜通道、阀芯导向孔、阀芯上端面和阀芯存油腔，端面节流通道、阀芯导向孔和阀芯存油腔同轴设置，阀芯存油腔设置在阀芯导向孔和端面节流通道之间，侧面节流通道与阀芯存油腔相通，端面第一斜通道与阀肩侧面通道相通，阀肩侧面通道与低压油路相通；

针阀体的中心沿轴向从上到下依次设有上存油腔、阀针导向孔、中间存油腔和下存油腔；

针阀包括上导向杆、进油导向段和下杆体，在进油导向段柱面上设有轴向进油结构，在上导向杆和进油导向段结合处形成轴向限位面，针阀的上导向杆与节流阀的阀芯导向孔为偶件配合关系，进油导向段与阀针导向孔精密间隙配合；

节流阀的端面节流通道与控制阀座的综合容腔相通连；节流阀的端面第一斜通道与控制阀芯的端面凹槽相通连；节流阀的阀芯存油腔顶面与针阀的上导向杆的顶面之间存有启动回程空间。

各部件的连接关系为：

针阀套装在针阀体中，节流阀设置在针阀的上端面上，节流阀的阀芯导向孔套装在针阀的上导向杆上，控制阀座的阀座下端面与节流阀的阀芯上端面对接，阀座进油道对准节流阀的端面第二斜通道，控制阀芯通过导向柱套装在控制阀座的阀芯导向孔中，执行器设置在喷油器体和控制阀座之间，保证高压通油道、执行器进油通道和阀座进油道对准相通，执行弹簧和执行弹簧座放置在执行器的弹簧通道中，执行弹簧座位于执行弹簧的下方，并套装在弹簧限位段上，油嘴弹簧、油嘴弹簧座套装在上导向杆上，油嘴弹簧位于油嘴弹簧座的上方，紧固帽旋接在喷油器体的下端，将执行器、控制阀芯、控制阀座、节流阀和针阀体轴向密封地固定在喷油器体上。

进一步，所述启闭顶隙的高度尺寸为0.01～1.5毫米。

更进一步，所述启闭顶隙的高度尺寸为0.2～0.3毫米。

进一步，所述轴向进油结构为轴向进油槽。

进一步，所述轴向进油结构为在进油导向段的横截面上至少有一个进油平面，进油平面的宽度小于进油导向段的半径。

更进一步，在进油导向段的横截面上设有2～4个进油平面。

更进一步，进油导向段的横截面上设有3个进油平面。

进一步，所述中间密封段与控制阀座的阀芯导向孔之间为精密间隙配合。

进一步，所述控制阀芯的下段为轴向限位柱，轴向限位柱的直径大于阀芯导向孔的直径；

本发明取得的有益效果：

本发明提供的这种高压共轨喷油器相比较现有同类产品，有以下有益效果：

①取消了常规喷油器的液力伺服结构，由节流阀直接控制油嘴，提高了响应速度，可实现降低持续期，提高喷射密度的益处；

②当执行器失电时，节流阀芯被密封在节流阀的端面上，因此高压液体施加在节流阀芯上的力比较小，如此工作时需要的电磁力可以比较小，从而可以减小执行器和节流阀芯等零部件的体积，有利于喷油器总成布置；另外，由于需要的电磁力较小，因此工作时执行器部分的发热量也会减小，可提高喷油器总成工作的可靠性；

③节流阀芯与节流阀平面密封的结构设计，在喷油器总成性能开发过程中，可灵活地通过更改密封环带的面积大小，实现对喷油规律波形的柔性控制，扩展喷油器总成的应用范围；

通过试验能证明本方案相对于现有技术取的优异技术效果。

图15为常规喷油器的驱动信号和喷油速率的波形图；

图16为采用本发明的驱动信号和喷油速率波形图，两种喷油器的油嘴偶件流量相同。图中，横坐标为时间(单位：ms)，纵坐标分别为驱动电流值(单位：a)和喷油速率值(单位：mm3/ms)。在这两幅图中，共有4组曲线，其中，b1为喷油速率曲线；b2为驱动电流曲线；b3为喷油速率波形起始点；b4为喷油速率波形终点，喷射持续期tc＝t4-t3。

在本次试验中，试验条件为：固定喷射压力为160mpa，驱动电流峰值为10a，维持电流为5a，喷油量为440mm3。

图15所示常规喷油器的喷射持续期为2.85ms，而图16所示采用本发明得出的喷油器的喷射持续期为2.4ms。通过图15、图16对比可以发现，用本发明得出的喷油器，在相同的喷射压力，相同驱动电流和相同喷油量条件下，其喷油速率曲线的高度明显更高，说明喷射速率密度更大，而喷射持续期相比较常规的喷油器减少了0.45ms，占比16.79％，在功率密度上有十分明显的提升优势。

附图说明：

图1为发明的结构示意图；

图2为喷油器体的连接示意图；

图3为执行器的结构示意图；

图4为控制阀芯的结构示意图；

图5为衔铁盘的结构示意图；

图6位衔铁盘和控制阀芯的装配结构示意图；

图7为控制阀座的结构示意图；

图8为控制阀芯与控制阀座的装配结构示意图；

图9为节流阀的结构示意图；

图10为针阀与针阀体的装配结构示意图；

图11为针阀体的结构示意图；

图12为针阀的结构示意图；

图13为图10中a-a处结构的剖视放大结构图(进油槽结构)；

图14为图10中a-a处结构的剖视放大结构图(进油平面结构)；

图15为常规喷油器的波形图；

图16为本发明喷油器的波形图。

图中：1-喷油器体；2-执行器；3-控制阀芯；4-控制阀座；5-节流阀；6-针阀体；7-针阀；8-执行弹簧；9-紧固帽；10-油嘴弹簧；11-油嘴弹簧座；12-主通油道；13-高压通油道；14-执行弹簧座；15-启闭顶隙；21-弹簧通道；22-执行器进油通道；30-衔铁盘；31-导向柱；32-中间密封段；33-内凹空间；34-存油凹槽；35-端面凹槽；36-导杆下端面；37-存油槽锥面；38-轴向限位柱；39-弹簧限位段；41-阀芯导向孔；42-综合容腔；43-进油锥面；44-通油环槽；45-阀座进油道；46-斜油路通道；47-阀座上端面；48-阀座下端面；49-阀芯腔；51-端面节流通道；52-侧面节流通道；53-端面第一斜通道；54-阀肩侧面通道；55-端面第二斜通道；56-阀芯导向孔；57-阀芯上端面；58-阀芯存油腔；61-上存油腔；62-阀针导向孔；63-中间存油腔；64-下存油腔；71-上导向杆；72-进油导向段；73-下杆体；74-轴向进油结构；75-轴向限位面；301-盖顶面，302-衔铁盘中孔。

具体实施方式：

下面结合附图举例说明本发明的具体实施方式：

实施例1：

一种轴向错位控制的高压共轨快速响应喷油器，如图1-图14所示，包括喷油器体1、执行器2、控制阀芯3、控制阀座4、节流阀5、针阀体6、针阀7、执行弹簧8、紧固帽9、油嘴弹簧10、油嘴弹簧座11和执行弹簧座14，在喷油器体1上设有相通的主通油道12和高压通油道13；在执行器2上设计有执行器进油通道22和弹簧通道21；

在控制阀座4上设计有阀芯导向孔41、综合容腔42、进油锥面43、通油环槽44、阀座进油道45、斜油路通道46、阀座上端面47、阀座下端面48和阀芯腔49，阀芯导向孔41、进油锥面43、通油环槽44和阀芯腔49同轴设置，通油环槽44设置在阀芯导向孔41上，阀芯腔49和综合容腔42设置在阀芯导向孔41的上下两端，进油锥面43设置在综合容腔42与阀芯导向孔41的下端面之间，斜油路通道46设置在阀座进油道45与通油环槽44之间，阀座上端面47和阀座下端面48均为平面；阀芯导向孔41的中心与控制阀座4中心错位设置；

所述控制阀芯3包括阀芯柱和衔铁盘30，所述阀芯柱包括导向柱31、中间密封段32、内凹空间33、存油凹槽34、端面凹槽35、导杆下端面36、存油槽锥面37、轴向限位柱38和弹簧限位段39，中间密封段32、内凹空间33和存油凹槽34均设置在导向柱31上，轴向限位柱38设置在导向柱31的下端，弹簧限位段39设置在导向柱31的上端，端面凹槽35设置在导杆下端面36的中心处，存油槽锥面37设置在存油凹槽34的下边上，阀芯柱的导向柱31、中间密封段32与控制阀座4的阀芯导向孔41之间均为偶件式精密间隙配合关系；所述轴向限位柱38的直径大于阀芯导向孔41的直径；

所述衔铁盘30包括盖顶面301和衔铁盘中孔302，衔铁盘中孔302设置在盖顶面301的中心位置，衔铁盘30通过衔铁盘中孔302与导向柱31的过盈配合实现固定一体化连接；喷油器总成装配好后，喷油器总成在不喷油的工作状态下，衔铁盘30的盖顶面301低于阀座上端面47，二者之间形成启闭顶隙15，所述启闭顶隙15的高度尺寸为0.01～1.5毫米；

所述节流阀5包括端面节流通道51、侧面节流通道52、端面第一斜通道53、阀肩侧面通道54、端面第二斜通道55、阀芯导向孔56、阀芯上端面57和阀芯存油腔58，端面节流通道51、阀芯导向孔56和阀芯存油腔58同轴设置，阀芯存油腔58设置在阀芯导向孔56和端面节流通道51之间，侧面节流通道52与阀芯存油腔58相通，端面第一斜通道53与阀肩侧面通道54相通，阀肩侧面通道54与低压油路相通；

所述针阀体6的中心沿轴向从上到下依次设有上存油腔61、阀针导向孔62、中间存油腔63和下存油腔64；

所述针阀7包括上导向杆71、进油导向段72和下杆体73，在进油导向段72柱面上设有轴向进油结构74，所述轴向进油结构74为轴向进油槽，在上导向杆71和进油导向段72结合处形成轴向限位面75，针阀7的上导向杆71与节流阀5的阀芯导向孔56为偶件配合关系，进油导向段72与阀针导向孔62精密间隙配合；

所述节流阀5的端面节流通道51与控制阀座4的综合容腔42相通连；节流阀5的端面第一斜通道53与控制阀芯3的端面凹槽35相通连；节流阀5的阀芯存油腔58顶面与针阀7的上导向杆71的顶面之间存有启动回程空间。

各部件的连接关系为：

针阀7套装在针阀体6中，节流阀5设置在针阀7的上端面上，节流阀5的阀芯导向孔56套装在针阀7的上导向杆71上，控制阀座4的阀座下端面48与节流阀5的阀芯上端面57对接，阀座进油道45对准节流阀5的端面第二斜通道55，控制阀芯3通过导向柱31套装在控制阀座4的阀芯导向孔41中，执行器2设置在喷油器体1和控制阀座4之间，保证高压通油道13、执行器进油通道22和阀座进油道45对准相通，执行弹簧8和执行弹簧座14放置在执行器2的弹簧通道21中，执行弹簧座14位于执行弹簧8的下方，并套装在弹簧限位段39上，油嘴弹簧10、油嘴弹簧座11套装在上导向杆71上，油嘴弹簧10位于油嘴弹簧座11的上方，紧固帽9旋接在喷油器体1的下端，将执行器2、控制阀芯3、控制阀座4、节流阀5和针阀体6轴向密封地固定在喷油器体1上。

本发明的工作过程为：

高压燃油从喷油器体1的主通油道12依次进入高压通油道13、执行器进油通道22、阀座进油道45、斜油路通道46进入通油环槽44，分二路，另一路通过端面第二斜通道55进入启闭顶隙15和油嘴偶件的上存油腔61。

当执行器2失电时，在执行弹簧8的预紧力f1和通油环槽44的液压力f2作用下，控制阀芯3的导杆下端面36与节流阀5的阀芯上端面57处于机械密封状态，在阀芯存油腔58的液压力f3和油嘴弹簧10的预紧力f4的作用下，针阀7被密封在针阀体6的座面上，喷油器不喷油。

当执行器2得电时，由于电磁作用，执行器2对控制阀芯3产生电磁力f5，当f5克服执行弹簧8的预紧力f1和通油环槽44的液压力f2的作用力时，即f5＞f1+f2时，控制阀芯3上行，控制阀芯3的存油槽锥面37与控制阀座4的进油锥面43机械密封，此时节流阀5的端面节流通道51与综合容腔42和阀肩侧面通道54液体连接，由于阀肩侧面通道54与低压油路连接，所以阀芯存油腔58内的液体压强逐渐下降，下降到启闭顶隙15的液压力f3+弹簧预紧力f4＜中间存油腔63的液压力f6时，针阀7上行离开针阀体6的密封座面，喷油器开始喷油。

实施例2：与实施例1不同之处在于所述轴向进油结构74改为在进油导向段72的柱面上设有进油平面，优选方案是在进油导向段72的横截面上均布有三个进油平面，进油平面的宽度小于进油导向段72的半径。

当然，设置一个进油平面同样有效。

本发明的实施方式很多，在此不逐一罗列，只要采取本发明的等功能代换的一切方案均属保护范围。