CN103277223B - 一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机喷射器技术领域，涉及一种同轴式的双燃料喷射器，特别涉及通过柴油等液体燃料引燃天然气等气体燃料的一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器。本发明特征在于所述喷射器能够通过液压电磁控制系统以及针阀组件的运动实现引燃燃料的喷射，并通过凸轮轴的旋转，由推杆带动活塞阀直线往复运动进而实现对天然气喷射的控制。本发明改变传统同轴式双燃料喷射器机械结构，分别控制气路、油路，在实现定时、定量喷射和可靠密封的前提下，大大提高了工艺性。并且在其中一种控制方式损坏时可继续工作，不会导致发动机停机，适合军用发动机和中低速发动机。

Description

一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器

技术领域：

本发明属于内燃机喷射器技术领域，涉及一种同轴式的双燃料喷射器，特别涉及通过柴油等液体燃料引燃天然气等气体燃料的一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器。

背景技术：

能源与环境问题是内燃机行业所面临的两大主要问题，世界各国的内燃机工作者都为此进行了深入的研究。而随着石油资源的短缺，LPG、LNG、醇类等将成为柴油的替代燃料；天然气在我国储量丰富，并且容易液化，在一定程度上提高了天然气在汽车上被携带的体积。由热力学知识可得：压缩式燃烧比点燃式燃烧具有更高的效率；同时天然气作为一种清洁能源，主要成分是甲烷，和柴油相比有较高的热值；研究（SAE 961671）表明，在宽广负荷下，天然气发动机基本可以达到柴油机的性能指标，并且使NOx排放量下降20%~40%，CH化合物排放量下降15%~20%，PM生成也大幅减少；同时由于不用预混而采取直喷，故没有节流损失也减小爆燃倾向；但是在研究该文献时同时发现，要使甲烷在2ms内自燃，温度至少要达到1200K，而传统柴油发动机在压缩上止点能达到的温度只有850K到950K，因此要实现压缩着火，最佳的选择之一是采用柴油引燃天然气的双燃料运行方式；其思路就是在活塞运行接近上止点某一时刻喷入少量柴油使其自然，再随后的某一时刻喷入天然气，而预喷柴油则起到点燃天然气的作用。

而对此类喷射器的设计主要有以下两种方式：1.采用同轴式的喷嘴，如文献（SAE 981400）中提到的同轴式双燃料喷射器，该喷射器主要由同轴的两针阀组件构成，通过凸轮及活塞机构提供高压燃油，由电磁阀的开启和关闭控制预喷燃油的喷射和停止，压力室内的压力油分别作用于两针阀的承压面上。由于内针阀的承压弹簧初始压力小于外针阀承压弹簧的初始压力，故柴油先于天然气喷入气缸中，由于柴油喷孔开在外针阀上，故外针阀由相当于内针阀的阀套，而天然气喷孔开在喷射器体上，在（SAE 2002-01-1630）中对这种喷射器进行了改进，提高了响应速度，更加适用于高速发动机；2.非同轴的双燃料喷嘴，在专利US5996558中提到的若干喷嘴中，有一种非同轴式喷嘴，该喷射器由液压油控制两个独立的针阀偶件分别控制柴油和天然气的喷射。

第一种同轴式喷射器虽然具有比较好的响应速度，但是该喷射器油路复杂，加工工艺性差；密封困难，需要液封或者多道密封环密封，否则会造成天然气的泄漏造成危险；喷油和喷气的相位差由弹簧初始压力决定，不够精确，并且使用久后，弹簧强度下降，造成定时不准确；第二种非同轴式喷射器将油路气路相对独立，利于密封，但是结构复杂，造成喷射器体积较大，不利于对现有柴油机进行改装，实用性差。

并且在现代战争中，对敌方军事装备的电磁干扰已经成为了至关重要的一环，如果此类喷射器的电控单元受到干扰破坏，或者液压系统受到破坏都会导致军事装备无法正常工作，处于战斗的不利位置，因此，战斗装备的战场存活性成为重中之重。

发明内容：

本发明的目的在于解决上述喷射器所面临的几大问题，提出了一种由凸轮轴控制的活塞阀式双燃料喷射器，其特征在于：所述双燃料喷射器包括凸轮轴、推杆、喷射器体、活塞阀体、针阀密封锥面、引燃剂喷孔、天然气喷孔、针阀、天然气进口、针阀承压面、天然气接口、稳压阀、调压弹簧、出油口、压力室、回油口、电磁阀和活塞；喷射器体顶端中部开圆柱形腔，与之配合的活塞伸入圆柱形腔内，活塞为T型活塞，活塞顶部与喷射器体顶端之间设有弹簧，喷射器体下部开有针阀腔，针阀腔底部加工密封锥面，针阀腔内设有针阀，密封锥面底端开有引燃剂喷孔，针阀上方腔内安装一调压弹簧控制针阀落座，使得引燃剂喷孔封闭，圆柱形腔一侧开通槽形成回油油路，在回油油路上喷射器体内设有电磁阀用于控制回油油路的闭合，圆柱形腔通过油路与针阀腔相通，油路一侧开有通槽形成出油油路，出油油路上设有稳压阀，活塞上端设有凸轮轴，通过旋转凸轮轴使得凸轮轴中部的凸轮与活塞接触并施加压力，针阀腔外套有活塞阀体，凸轮轴通过推杆与活塞阀体连接，通过凸轮轴的旋转带动活塞阀体沿针阀腔上下移动，活塞阀体沿针阀腔外侧上下移动的距离应当能使得喷射器体下端一侧开设的天然气槽形成开合从而与活塞阀体所在的腔体连通或断开，活塞阀体所在的腔体下端开有天然气喷孔。

所述的推杆由推杆大头、推杆小头和杆身组成；杆身为工字形截面，推杆大头和推杆小头内装配轴瓦，推杆大头套在凸轮轴的轴颈上，推杆小头套在活塞阀的轴颈上。

所述活塞阀的阀体内表面加工出1~2条凹槽，用以安装气环，与推杆小头配合的轴颈上则镀有减磨合金层；活塞阀阀体外侧与活塞阀体所在的腔体内壁配合沿针阀腔外侧上下移动。

其中推杆由推杆大头、推杆小头、杆身组成；大头套在凸轮轴颈上，与轴颈间隙配合。小头套在活塞阀轴颈上，同样为间隙配合。针阀与活塞阀安装时应保证同轴，在喷射器体内实现直线往复运动。针阀顶端腔内安装一调压弹簧控制针阀落座；油路之间的联通与断开由电磁阀、稳压阀和针阀控制。其中由液压电磁系统控制预喷燃油的定时定量喷射，机械机构控制天然气的喷射，两套控制系统由凸轮轴1驱动，相对独立；在其中一种系统停止工作时，仍可保证发动机继续运转。

    本发明的优点：1.能够实现定时定量喷射以及可靠密封；2.大大简化了液压油路，提高了加工工艺性；3.在提高加工工艺性的基础上降低了喷射器的总高；4.可以实现单独使用油或单独使用天然气，更适用于现代战争，提高军事装备的战场存活率；5.将油路气路完全隔开，减少了相互混合的可能，使密封更为简便；6.适用于多种燃料。

附图说明：

图1 凸轮轴阀式双驱动的活塞燃料喷射器装配图；

图2 柴油喷射示意图；

图3 天然气喷射示意图；

图4 活塞阀零件俯视图；

图5 活塞阀零件纵剖图；

图6 凸轮轴示意图；

图7 长推杆示意图；

1、凸轮轴； 2、推杆；3、喷射器体； 4、活塞阀体；5、针阀密封锥面；6、引燃剂喷孔；7、天然气喷孔；8、针阀；9、天然气进口；10、针阀承压面；11、天然气接口；12、稳压阀；13、调压弹簧；14、出油口；15、压力室；16、回油口；17、电磁阀；18、活塞；19、轴颈；20、凹槽；21、凸轮；22、与推杆大头配合的轴颈；23、平衡重；24、推杆大头；25推杆小头；26杆身。

具体实施方式：

下面结合附图所示对本发明进行进一步说明。

本发明装配图如图1所示，凸轮轴1旋转运动，当凸轮与活塞18接触时，开始对压力室15内的燃油进行加压，若此时电磁阀17未通电，则回油口16打开，回油油路保持通畅，压力室油压不会增加，当电磁阀通电，回油口关闭，压力室内油压逐渐增大，压力油一方面作用于针阀8的承压锥面10上，一方面作用于稳压阀12的承压面上；当油压升高到大于针阀承压弹簧13的初始压力时，针阀抬起，预喷燃油经喷射器底部引燃燃油喷孔6喷入燃烧室内，此时压力室内压力继续增大，当压力大于稳压阀承压弹簧的初始压力时，稳压阀抬起，出油口14打开，实现定压喷射；当电磁阀停止通电后，回油油路重新打开，压力室内建立的压力迅速消失，针阀在调压弹簧13的作用下落座到针阀密封面5上，实现快速断油；在引燃燃油喷射的过程中，活塞阀4在推杆2的牵引下向上运动，打开天然气进口9，天然气通过接口11压入喷射器体，由天然气喷孔7喷入燃烧室；活塞阀运行到上止点后，反向运动，进而关闭天然气入口，停止喷射；为防止天然气泄漏，在活塞阀靠近喷孔处加1~2道气环，气环与喷射器体过盈配合；本发明可以实现燃油以及天然气的定时、定量喷射以及可靠密封；并且由图1可以看到，在电磁阀受到干扰无法响应时，或者液压无法建立时，仍可实现天然气的喷射。

图2所示为预喷柴油示意图；可见此时电磁阀通电，回油口、天然气进口均处于未接通状态，此时压力室内压力逐渐增大，针阀抬起实现喷油。

图3所示为天然气喷射示意图；可见此时电磁阀断电，回油口打开，针阀落座，柴油喷射停止。同时在长推杆的作用下，活塞阀向上运动，打开天然气喷孔，天然气喷入燃烧室。

图4、图5为所涉及的活塞阀纵剖图和俯视图；活塞阀外表面与喷射器体需精密配合，为防止天然气上窜，在阀体内表面加工出1~2条凹槽，用以安装气环，如20所示；19为加工出的一段与推杆小头配合的轴颈，轴颈上镀有减磨合金层，由于活塞阀往复运动故会产生往复惯性力，如果此力较大则会对机构的稳定性造成影响；下面简单计算活塞阀速度：设一台中等转速发动机为2000r/min，则凸轮轴转速为1000/min即约15r/s。由于活塞阀运动行程很小，大约为5mm，轴旋转一周活塞阀运动距离为10mm，故平均速度为15cm/s，而且活塞阀质量小，故引起的惯性力很小，可以达到强度要求。

图6为发明所涉及的凸轮轴示意图；此轴可为多缸机共用轴，故省略支撑、定位、润滑在图上的表示，21为凸轮，22为与推杆大头配合的轴颈，23为平衡重，轴在旋转过程中实现对液压油的加压和对天然气喷射的控制，轴上安装平衡重用来平衡旋时的离心力和离心力矩以及一部分的往复惯性力。

图7为长推杆示意图；该部件实现将轴的旋转运动转化为活塞阀的直线往复运动，其主要结构包括：推杆大头24，推杆小头25以及采用工字形截面的杆身26，保证强度要求，推杆大头，小头内都应装配轴瓦，由于推杆大头、小头与轴颈为滑动摩擦，故为间隙配合，间隙内有润滑油润滑。

     以上说明可以看出本发明的主要特征在于分别控制气路、油路，在实现定时、定量喷射和可靠密封的前提下，大大提高了工艺性；并且在其中一种控制方式损坏时可继续工作，不会导致发动机停机，适合军用发动机和中低速的大型发动机，在应用过程中对本发明主要部件的改造应并在本发明的范围内。

Claims (3)

1.一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器，其特征在于：所述双燃料喷射器包括凸轮轴、推杆、喷射器体、活塞阀体、针阀密封锥面、引燃剂喷孔、天然气喷孔、针阀、天然气进口、针阀承压面、天然气接口、稳压阀、调压弹簧、出油口、压力室、回油口、电磁阀和活塞；喷射器体顶端中部开圆柱形腔，与圆柱形腔配合的活塞伸入圆柱形腔内，活塞为T型活塞，活塞顶部与喷射器体顶端之间设有弹簧，喷射器体下部开有针阀腔，针阀腔底部加工密封锥面，针阀腔内设有针阀，密封锥面底端开有引燃剂喷孔，针阀上方腔内安装一调压弹簧控制针阀落座，使得引燃剂喷孔封闭，圆柱形腔一侧开通槽形成回油油路，在回油油路上喷射器体内设有电磁阀用于控制回油油路的闭合，圆柱形腔通过主体油路与针阀腔相通，油路一侧开有通槽形成出油油路，出油油路上设有稳压阀，活塞上端设有凸轮轴，通过旋转凸轮轴使得凸轮轴中部的凸轮与活塞接触并施加压力，针阀腔外套有活塞阀体，凸轮轴通过推杆与活塞阀体连接，通过凸轮轴的旋转带动活塞阀体沿针阀腔上下移动，活塞阀体沿针阀腔外侧上下移动的距离应当能使得喷射器体下端一侧开设的天然气槽形成开合从而与活塞阀体所在的腔体连通或断开，活塞阀体所在的腔体下端开有天然气喷孔。

2.如权利要求1所述的一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器，其特征在于：所述的推杆由推杆大头、推杆小头和杆身组成；杆身为工字形截面，推杆大头和推杆小头内装配轴瓦，推杆大头套在凸轮轴的轴颈上，推杆小头套在活塞阀的轴颈上。

3.如权利要求1所述的一种由改进凸轮轴驱动的活塞阀式双燃料喷射器，其特征在于：所述活塞阀的阀体内表面加工出1~2条凹槽，用以安装气环，与推杆小头配合的轴颈上则镀有减磨合金层；活塞阀阀体外侧与活塞阀体所在的腔体内壁形成配合偶件，活塞阀阀体沿针阀腔外侧上下移动。