CN102758713A - 电控双燃料喷嘴总成及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种电控双燃料喷嘴总成，包括燃气喷气器、柴油喷油器和混合喷嘴偶件；燃气喷气器包括燃气通道、进油通道、混合喷嘴阀芯、混合喷嘴阀体、燃气液压比例阀、燃气液压电磁阀控制装置和文丘里管燃气喷孔；混合喷嘴阀芯由燃气液压电磁阀控制装置控制；混合喷嘴偶件包括设置在混合喷嘴阀芯和混合喷嘴阀体之间具有搅拌功能的混合室和喷嘴喷孔；燃气喷孔和分离式油嘴偶件喷孔均开口在所述混合室中。电控双燃料喷嘴总成的工作方法，包括燃气喷射、柴油喷射和柴油燃气混合喷射三种工作方式，实现了通过小流量液压油控制大流量燃气的控制过程。本发明具有燃料控制精确、燃料消耗率低、油气混合充分、结构紧凑、加工方便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及可燃气体通过柴油引燃（双燃料或称掺和燃烧）内燃机的电控燃料供应系统，特别是涉及一种电控双燃料喷嘴总成及其工作方法。
背景技术
随着汽车尾气排放法规的不断严格及石油能源的日益紧缺，内燃机的发展面临提高升功率性能、降低燃料消耗率、尾气排放等挑战日益紧迫。面对节能和环保两方面的严峻形势，为保护人类生存环境、合理利用资源，世界各国除了相继制订出严格的汽车尾气排放法规外，开始着手内燃机的能源结构调整，致力于开发新型清洁能源，以期减少和控制汽车污染物的排放。其中可燃气如：液化石油气（LPG）、压缩天然气（CNG）、液化天然气（LNG）以其资源丰富、价格低廉、排放污染低的突出优点倍受人们青睐，被认为是很有发展前途的内燃机代用燃料。
由于内燃机燃料供应系统长期被国外发达国家所垄断，特别是可燃气和柴油掺和燃烧内燃机的燃料供应系统多依赖进口。目前，缸内直喷双重燃料技术几乎全部被Westport公所垄断。国内相关企事业单位尚在研发中。
Westport公司的一种电控双燃料喷嘴总成产品构造。如图1所示，其控制部份：分别采用了柴油和天燃气外置电磁铁和控制阀。其特征之一：由于采用了外置电磁铁和控制阀控制喷嘴阀芯，喷嘴阀芯响应时间长，控制精度难以实施。特征之二：控制部份采用了气体控制，由于气体的可压缩性，因此、影响了控制精度。之三：因为采用了外置电磁控制装置，所需的驱动电流大。
Westport公司的电控双燃料喷嘴总成喷嘴部分构造。如图2所示，在喷嘴部份分别采用了柴油进入轨道和燃气轨道进入。制造精度要求高，目前国内难以实施。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种以天燃气为主要燃料，同时喷入少量柴油引燃天燃气的新型便于制造的双燃料内混合电控喷嘴总成。该结构是在天燃气和柴油喷射过程中，为了提高燃料的工效，更方便引燃天燃气，采用了带有混合室功能的喷嘴偶件。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：其包括燃气喷气器、柴油喷油器和混合喷嘴偶件；
所述燃气喷气器包括燃气通道、进油通道、混合喷嘴阀芯、混合喷嘴阀体、燃气液压比例阀、燃气液压电磁阀控制装置和文丘里管燃气喷孔；所述混合喷嘴阀芯由燃气液压电磁阀控制装置控制；
所述柴油喷油器包括柴油通道、分离式油嘴偶件、柴油比例阀和柴油电磁阀控制装置；
所述混合喷嘴偶件包括设置在混合喷嘴阀芯和混合喷嘴阀体之间具有搅拌功能的混合室和喷嘴喷孔；燃气喷孔和分离式油嘴偶件喷孔均开口在所述混合室中。
其进一步特征在于：所述混合喷嘴阀芯上设置有进气斜槽，所述混合室下方混合喷嘴阀体上设置有导向中孔。
进一步的：所述混合喷嘴阀芯上端的燃气液压比例阀设置油压室，利用油压室内的压力来控制混合喷嘴阀芯，油压室内的混合喷嘴阀芯上端设置有喷嘴弹簧；所述燃气液压比例阀包括进油量孔和回油量孔，所述进油量孔和回油量孔与油压室相通。
所述燃气电磁阀控制装置包括燃气电磁铁、燃气液压控制阀、燃气液压控制阀弹簧；所述柴油电磁阀控制装置包括电磁铁、控制阀、控制阀弹簧。
所述燃气液压电磁阀控制装置和柴油电磁阀控制装置为内置式，分别设置在燃气喷气器、柴油喷油器中。
所述柴油喷油器采用分离式油嘴结构，油嘴偶件与油嘴喷孔分别设置在不同部件上，它们之间通过油道连接。
电控双燃料喷嘴总成的工作方法，包括下述步骤：
（1）燃气喷射：
燃气电磁铁通电，电磁铁产生的吸力克服燃气液压控制阀弹簧力，燃气比例阀工作，燃气液压控制阀打开，混合喷嘴阀芯在压力燃气的作用下，克服喷嘴弹簧力向上运动，混合喷嘴阀芯密封线脱离混合喷嘴阀体密封座面，气体喷出；当气体在通过导向中孔时，在混合喷嘴阀芯上的进气斜槽的作用下迫使混合喷嘴阀芯旋转。
所述述大流量燃气是通过小流量的液压油来控制，其控制过程如下：
（a）燃气电磁铁未接通电源时，燃气液压控制阀在弹簧力的作用下处于常闭状态，液压油通过进油油道进入燃气液压比例阀上的进油量孔，混合喷嘴阀芯上部油压室建立压力，给混合喷嘴阀芯一个向下的压力，喷嘴关闭；
（b）当燃气电磁铁通电工作时，燃气液压控制阀密封座面打开，进油量孔及油压室内的液压油通过燃气比例阀上的回油量孔回油，油压室的压力下降，混合喷嘴阀芯在压力燃气的作用下，克服作用在混合喷嘴阀芯上的喷嘴弹簧上的力，往上运动，从喷嘴口喷出燃料。
（2）柴油喷射：
电磁铁通电，电磁铁产生的吸力克服控制阀弹簧力，燃油液压比例阀工作，燃油控制阀打开，油嘴阀芯在燃油压力的作用下，克服油嘴弹簧向左运动，油嘴阀芯密封线脱离油嘴阀体密封座面，柴油通过油道进入油嘴喷孔喷入混合室。
（3）柴油燃气混合喷射：
当混合喷嘴阀芯上升后，液化或高压燃气在通过文丘里喷孔后，喷入混合室内，由于燃气的膨胀，燃气流速增加，混合喷嘴阀芯的旋转速度得到提高，同时，进入混合室内的气流也随即改变运动方向，由原来的直线气流变成涡流气流；在雾化柴油喷入过程中，不断被涡流气流冲击搅拌，形成混合涡流气流，从喷嘴喷孔中喷出。
所述电控双燃料喷嘴总成工作方式可以拆分为单独的燃气喷射器或柴油喷射器独立工作。
本发明工作原理如下：
原理一：1）液态或压缩可燃气经过缩孔口（文丘里管原理）膨胀，由于燃气的膨胀，燃气流速增加，2）当燃气气流通过开有进气斜槽的混合喷嘴阀芯时，迫使混合喷嘴阀芯在燃气气流的作用下旋转，同时，进入混合室内的气流也随即改变运动方向，由原来的直线气流、变成涡流气流；在雾化柴油在喷入过程中，不断被涡流气流冲击搅拌，形成混合涡流气流，从喷嘴喷孔中喷出。
原理二：利用小流量的液压油通过比例阀来控制混合喷嘴阀芯的打开、关闭和润滑燃气喷气器。高压燃油来控制和润滑喷嘴总成，改变原可燃气喷嘴的控制和润滑方式。
原理三：燃气和柴油分别采用了二个独立的内置电磁阀控制装置，其混合比例可以根据发动机工况要求任意调整和设定。
原理四：增大油嘴体进油槽容积，使其成为双燃料混合室。同时利用液态或压缩可燃气在混合室内膨胀，吸收热量来降低喷嘴及发动机的温度。
原理五：在喷嘴体混合室的下端增加了导向中孔，一可以提高混合喷嘴阀芯的定位精度，二可以提高气流的涡流气流率。
本发明具有下述优点：
一、首先在混合喷嘴阀芯的导向进气部分开斜槽，当电磁阀打开的瞬间，液态或高压可燃气体膨胀，产生高速气流，当气流通过混合喷嘴阀芯进气斜槽时，迫使混合喷嘴阀芯旋转，混合喷嘴阀芯在旋转的过程中，同时，进入混合室内的气流也随即改变运动方向，由原来的直线气流、变成涡流气流；在雾化柴油在喷入过程中，不断被涡流气流冲击搅拌，形成混合涡流气流，从喷嘴喷孔中喷出。
其次，混合室设计在原来油嘴的进油槽部位，更接近喷口，减少了管道内的损耗，进一步提升可燃气体的流速，同时降低混合喷嘴阀芯的质量，提高喷嘴总成的开启和关闭速率，改善燃烧性能，使得总成结构紧凑，方便在内燃机上的安装。
二、利用小流量的液压油来控制和润滑燃气喷气器部份，改变原可燃气喷嘴的控制和润滑方式。1、利用液压油通过比例阀，实施小流量来控制大流量气体，可节省能耗，提高控制精度；2、利用电磁控制阀打开和关闭产生的脉冲压力油，润滑喷嘴偶件，改善喷嘴偶件之间的滑动性，提升混合喷嘴阀芯的运动速率，提高气流的流速，进一步增强燃料的控制精度。满足高速、多点喷射双燃料发动机的需要。
三、两种燃料都有其独立的内置电磁铁和控制阀控制。1、双燃料的混合比例可以通过发动机管理系统（ECU）任意调整和设定，满足发动机工况的需要，提高发动机的升功率性。2、由于采用了内置电磁铁和控制阀，使得控制系统更接近喷嘴，减轻了控制阀芯的质量，缩短控制阀的开启和关闭时间，提升整个电控喷嘴总成的速率。3、同时由于采用内置电磁铁和控制阀，减少能量损耗、降低燃料消耗率。
四、混合室更接近喷嘴孔，利用液化或压缩燃气在混合室内膨胀过程中、吸收热量来降低喷嘴总成及发动机的温度，改善发动机尾气排放。
附图说明
图1是Westport公司电控双燃料喷嘴总成产品构造，图中Diesel Needle—柴油阀芯，Gas Needle—燃气阀芯，Gas In —进气口，Diesel In —进油口，Diesel Return —柴油回油口，Diesel Needle Solenoid Actuator—柴油阀芯电磁控制器，Gas Needle Solenoid Actuator—气体阀芯电磁控制器。
图2是Westport公司另一种电控双燃料喷嘴总成喷嘴部分构造，图中Natural Gas Needle—天燃气阀芯，Diesel Needle—柴油阀芯。
图3为本发明结构示意图；
图4为图3 A-A剖面示意图；
图5为图3中I区域局部放大图；
图6为图5 B-B剖面示意图；
图7为图3中II区域局部放大图；
图8为分离式油嘴结构示意图。
具体实施方式
如图3、4所示电控双燃料喷嘴总成，其包括燃气喷气器、柴油喷油器和混合喷嘴偶件；
所述燃气喷气器包括燃气通道、进油通道、混合喷嘴阀芯10、混合喷嘴阀体9、燃气液压比例阀14、燃气液压电磁阀控制装置和文丘里管燃气喷孔15；所述混合喷嘴阀芯10由燃气液压电磁阀控制装置控制；
所述柴油喷油器包括柴油通道、分离式油嘴偶件、柴油比例阀4和柴油电磁阀控制装置；
所述混合喷嘴偶件包括设置在混合喷嘴阀芯10和混合喷嘴阀体9之间具有搅拌功能的混合室18和喷嘴喷孔；燃气喷孔15和分离式油嘴偶件喷孔17均开口在所述混合室18中。
如图3、4、5、6所示所述混合喷嘴阀芯10上设置有进气斜槽20，如图5所示所述混合室18下方混合喷嘴阀体9上设置有导向中孔19。
如图7所述混合喷嘴阀芯10上端的燃气液压比例阀14设置油压室21，利用油压室21内的压力来控制混合喷嘴阀芯10，油压室21内的混合喷嘴阀芯10上端设置有喷嘴弹簧8；所述燃气液压比例阀14包括进油量孔22和回油量孔25，所述进油量孔22和回油量孔25与油压室21相通。
所述燃气电磁阀控制装置包括燃气电磁铁11、燃气液压控制阀12、燃气液压控制阀弹簧13；所述柴油电磁阀控制装置包括电磁铁1、控制阀3、控制阀弹簧2。
所述燃气液压电磁控制装置和柴油电磁阀控制装置为内置式，分别设置在燃气喷气器、柴油喷油器中。
如图8所述柴油喷油器采用分离式油嘴结构，油嘴偶件与油嘴喷孔17分别设置在不同部件上，它们之间通过油道16连接。
电控双燃料喷嘴总成的工作方法，包括下述步骤：
（1）燃气喷射：
燃气电磁铁11通电，电磁铁产生的吸力克服燃气液压控制阀弹簧13力，燃气液压比例阀14工作，燃气液压控制阀12打开，混合喷嘴阀芯10在压力燃气的作用下，克服喷嘴弹簧8力向上运动，混合喷嘴阀芯10密封线脱离混合喷嘴阀体9密封座面，气体喷出；当气体在通过导向中孔19时，在混合喷嘴阀芯10上的进气斜槽20的作用下迫使混合喷嘴阀芯10旋转。
控制区利用原柴油发动机上的高压柴油，改变高压柴油的功能，便其成为控制和润滑源，利用小流量的高压柴油来控制大流量燃气的喷射。在燃气液压比例阀14上加工一个油压室21，进油量孔22和回油量孔25，进油量孔22和回油量孔25的流量比例根据喷嘴总成的特性来定（一般回油量孔的流量是进油量孔的流量1.5倍左右）。
所述述大流量燃气是通过小流量的包括高压柴油的液压油来控制，其控制过程如下：
（a）燃气电磁铁11未接通电源时，燃气液压控制阀12在弹簧力的作用下处于常闭状态，液压油通过进油油道16进入燃气液压比例阀14上的进油量孔22，混合喷嘴阀芯10上部油压室21建立压力，给混合喷嘴阀芯10一个向下的压力，喷嘴关闭；
（b）当燃气电磁铁11通电工作时，燃气液压控制阀12密封座面打开，进油量孔22及油压室21内的液压油通过燃气液压比例阀12上的回油量孔25回油，油压室21的压力下降，混合喷嘴阀芯10在压力燃气的作用下，克服作用在混合喷嘴阀芯10上的喷嘴弹簧8上的力，往上运动，从喷嘴口喷出燃料。
上述的液压油可以是低压燃油，高压燃油或润滑油。
（2）柴油喷射：
电磁铁1通电，电磁铁产生的吸力克服控制阀弹簧2力，燃油比例阀4工作，燃油控制阀3打开，油嘴阀芯7在燃油压力的作用下，克服油嘴弹簧5力向左运动，油嘴阀芯密封线脱离油嘴阀体6密封座面，柴油通过油道16进入油嘴喷孔17喷入混合室。
（3）柴油燃气混合喷射：
当混合喷嘴阀芯10上升后，液化或高压燃气在通过文丘里喷孔后，喷入混合室18内，由于燃气的膨胀，燃气流速增加，混合喷嘴阀芯10的旋转速度得到提高，同时，进入混合室18内的气流也随即改变运动方向，由原来的直线气流变成涡流气流；在雾化柴油喷入过程中，不断被涡流气流冲击搅拌，形成混合涡流气流，从喷嘴喷孔中喷出。
所述电控双燃料喷嘴总成工作方式可以拆分为单独的燃气喷射器或柴油喷射器独立工作。
Claims (9)
1.电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：其包括燃气喷气器、柴油喷油器和混合喷嘴偶件；
所述燃气喷气器包括燃气通道、进油通道、混合喷嘴阀芯、混合喷嘴阀体、燃气液压比例阀、燃气液压电磁阀控制装置和文丘里管燃气喷孔；所述混合喷嘴阀芯由燃气液压电磁阀控制装置控制；
所述柴油喷油器包括柴油通道、分离式油嘴偶件、柴油比例阀和柴油电磁阀控制装置；
所述混合喷嘴偶件包括设置在混合喷嘴阀芯和混合喷嘴阀体之间具有搅拌功能的混合室和喷嘴喷孔；燃气喷孔和分离式油嘴偶件喷孔均开口在所述混合室中。
2.根据权利要求1所述的电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：所述混合喷嘴阀芯上设置有进气斜槽，所述混合室下方混合喷嘴阀体上设置有导向中孔。
3.根据权利要求1或2所述的电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：所述混合喷嘴阀芯上端的燃气液压比例阀设置油压室，利用油压室内的压力来控制混合喷嘴阀芯，油压室内的混合喷嘴阀芯上端设置有喷嘴弹簧；所述燃气液压比例阀包括进油量孔和回油量孔，所述进油量孔和回油量孔与油压室相通。
4.根据权利要求1所述的电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：所述燃气电磁阀控制装置包括燃气电磁铁、燃气液压控制阀、燃气液压控制阀弹簧；所述柴油电磁阀控制装置包括电磁铁、控制阀、控制阀弹簧。
5.根据权利要求1或4所述的电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：所述燃气液压电磁阀控制装置和柴油电磁阀控制装置为内置式，分别设置在燃气喷气器、柴油喷油器中。
6.根据权利要求1所述的电控双燃料喷嘴总成，其特征在于：所述柴油喷油器采用分离式油嘴结构，油嘴偶件与油嘴喷孔分别设置在不同部件上，它们之间通过油道连接。
7.电控双燃料喷嘴总成的工作方法，包括下述步骤：
（1）燃气喷射：
燃气电磁铁通电，电磁铁产生的吸力克服燃气液压控制阀弹簧力，燃气液压比例阀工作，燃气液压控制阀打开，混合喷嘴阀芯在压力燃气的作用下，克服喷嘴弹簧力向上运动，混合喷嘴阀芯密封线脱离混合喷嘴阀体密封座面，气体喷出；当气体在通过导向中孔时，在混合喷嘴阀芯上的进气斜槽的作用下迫使混合喷嘴阀芯旋转；
（2）柴油喷射：
电磁铁通电，电磁铁产生的吸力克服控制阀弹簧力，燃油比例阀工作，燃油控制阀打开，油嘴阀芯在燃油压力的作用下，克服油嘴弹簧向左运动，油嘴阀芯密封线脱离油嘴阀体密封座面，柴油通过油道进入油嘴喷孔喷入混合室；
（3）柴油燃气混合喷射：
当混合喷嘴阀芯上升后，液化或高压燃气在通过文丘里管喷孔后，喷入混合室内，由于燃气的膨胀，燃气流速增加，混合喷嘴阀芯的旋转速度得到提高，同时，进入混合室内的气流也随即改变运动方向，由原来的直线气流变成涡流气流；在雾化柴油喷入过程中，不断被涡流气流冲击搅拌，形成混合涡流气流，从喷嘴喷孔中喷出。
8.根据权利要求7所述的电控双燃料喷嘴总成的工作方法，其特征在于：所述大流量燃气是通过小流量的液压油来控制，其控制过程如下：
（1）燃气电磁铁未接通电源时，燃气液压控制阀在弹簧力的作用下处于常闭状态，液压油通过燃气液压比例阀上的进油量孔进入燃气比例阀上的压力室，混合喷嘴阀芯上部油压室建立压力，给混合喷嘴阀芯一个向下的压力，喷嘴关闭；
（2）当燃气电磁铁通电工作时，燃气液压控制阀密封座面打开，进油量孔及油压室内的液压油通过燃气液压比例阀上的回油量孔回油，油压室的压力下降，混合喷嘴阀芯在压力燃气的作用下，克服作用在混合喷嘴阀芯上的喷嘴弹簧上的力，往上运动，从喷嘴口喷出燃料。
9.根据权利要求7所述的电控双燃料喷嘴总成的工作方法，其特征在于：所述电控双燃料喷嘴总成工作方式可以拆分为单独的燃气喷射器或柴油喷射器独立工作。
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