CN107084075B - 一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，气体燃料经管路输送到本系统，先经过燃料喷射阀，执行器通过控制对阀芯的控制实现对阀开闭的控制；通过轴向主气槽直接进气和周向补气孔进气的混合进气方式，实现大流量，有效地提高发动机的供气效率；通过阀芯和阀座间的多道环带结构，实现燃气喷射阀的面密封，高可靠性；通过浮动阀座结构，实现避免由于燃气喷射阀内外压力不平衡导致的反向泄漏功能，保证了燃气喷射阀工作的可靠性；通过燃料扩散管空腔结构，使燃料能分布在整个系统中，实现供气系统供气的连续性和响应性；通过环槽结构，促进燃料与空气的混合程度的提高，有利于燃烧，提高系统工作性能。

Description

一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置

技术领域

本发明涉及的是一种进气系统，具体地说是气体燃料发动机的进气系统。

背景技术

当今世界，不断提高的排放标准和日益严峻的能源危机给燃料发动机提出了新的挑战，以天然气为主要代表的气体新燃料成为了各国研究者所关注的重点，气体燃料发动机也成为了最主要的研究对象。完整的进气系统，包括燃料喷射阀、进气歧管、气缸气阀等诸多部分，燃料和空气流经的每一个部件都会对气体燃料发动机的性能产生重要影响。对于气体燃料的喷射，既要求喷射流量大、喷射效率高，同时还要求喷射稳定、响应性好；而对于气体燃料和空气的流动，需要使气体燃料和空气在进入到气缸之前能够进行充分的混合，以提高燃料燃烧效率节约能源消耗。除此之外，在发动机工况恶劣的情况下，喷射阀容易出现反向泄露的情况，所以需要设计一种可以防止反向泄露的喷射阀。

发明内容

本发明的目的在于提供可以使得空气与燃料在进入燃烧室前可以充分混合，提高燃烧效率，改善经济性能，并且可以有效防止燃料反向泄露的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：包括燃料喷射阀、气罩、燃料扩散管；

所述燃料喷射阀包括阀体、铁芯、阀芯组合体、浮动阀座，铁芯固定在阀体上端，铁芯里缠绕线圈，铁芯里设置环形槽；所述阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯，衔铁、底板、阀芯自上而下布置同时通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座位于衔铁外部并与衔铁之间形成环形槽，复位弹簧的两端分别布置在铁芯的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分相通，阀芯的中空部分里设置阀座复位弹簧，阀芯上设置密封环带和肋，密封环带形成环腔，阀芯上表面开设轴向主气槽，肋上开有周向补气孔，并在补气孔处设置导流锥角；所述浮动阀座包括导向基座、阀座，导向基座固定在阀体的下方，阀座位于阀芯下方，导向基座内圈设置有T形结构，阀座外圈通过设置与其配合的T形结构安装在导向基座里，阀座复位弹簧的两端分别固定在阀座和衔铁上，阀座上设置出气环带和导向块，导向块位于阀芯周围，出气环带位于环腔下方，出气环带下方设置出气口；

气罩的首端设置在出气口下方，气罩的末端连接燃料扩散管，燃料扩散管位于进气歧管里，燃料扩散管上设置环槽，环槽包括第一类环槽和第二类环槽，燃料扩散管的直径呈阶跃交替变化，第一类环槽位于燃料扩散管直径相对小的位置上，第二类环槽位于燃料扩散管直径相对大的位置上，且第一类环槽和第二类环槽各自成周向布置且互相成90°错开布置。

本发明还可以包括：

1、气罩为渐缩喷管，气罩的首端截面面积大于其末端截面面积，气罩的首端和末端两个端截面轴线互成90°。

2、在阀座和导向基座之间设置两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座和导向基座连接处上方安装可变形密封圈，可变形密封圈内沿上方加装压紧垫圈，第二重防漏气结构是在阀座和导向基座的T形结构连接处设置两层密封胶圈，在阀座和导向基座之间的T形结构连接处设置弹性垫圈。

3、铁芯的上部与阀体之间形成进气口，铁芯的中下部与阀体之间形成导流腔，进气口、导流腔相通；气体由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔流入充满阀体内部，线圈通电后，衔铁带动阀芯向上运动与阀座表面分离，气路开启，电磁阀开启，气体由轴向主气槽和周向补气孔的混合进气方式流入，通过环腔，由出气口导向后垂直流入进气弯管和气管，从气管的端部、第一类环槽、第二类环槽进入进气歧管；线圈断电后，在铁芯与弹簧座之间的复位弹簧的作用下，衔铁向下运动，带动阀芯向下运动，直至阀芯表面与阀座表面贴合，恢复到初始位置，气路关闭，电磁阀关闭。

本发明的优势在于：本发明的燃料喷射阀采用若干个导向块和周向补气孔结构，增强阀芯开启响应性；在衔铁中心开压力平衡孔并在底板上开有一定数量的压力平衡槽，避免衔铁受到轴向力，使衔铁处内外气路压力更易达到平衡，提高衔铁响应速度；通过在阀芯的四个肋上开周向补气孔，增加流通面积，减少阀芯质量，提高可靠性；在阀芯周向补气孔处设置一定角度的出气环带，减少流动损失，增大流量系数；本发明采用轴向主气槽直接进气和周向补气孔进气的混合进气方式，增加进气流量系数，增加进气量，同时可以避免气流干涉，使气路达到平衡，有效地提高了发动机的供气效率；当燃料喷射阀开启，燃料经气罩流入到燃料扩散管中，经过一系列交错环槽作用流入进气歧管，与空气进行充分的混合，最后流入到气缸中；在燃料喷射阀和气缸气阀都关闭后，由于本系统能够将燃料和空气进行一定的隔离，可以将已从喷射阀喷出但未能及时进入气缸的气体燃料贮存在燃料扩散管的空腔中防止扩散损失，待下次喷气阀和气缸气阀开启后，该部分气体燃料可以迅速地供给到到气缸中用于燃烧，提高了燃料供给响应性；当发动机工况恶劣之时，外部压力大于内部压力，浮动阀座结构可以有效避免燃料反向流动，保证发动机正常工作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为燃料喷射阀总体示意图；

图3为阀芯组合体示意图；

图4为浮动阀座结构放大图；

图5为浮动阀座受力图；

图6a为燃料扩散管示意图，图6b为B-B视图，图6c为C-C视图；

图7为气体燃料的流动图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-7，本发明中的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，分为燃料喷射阀1、连接气罩2和燃料扩散管3。燃料喷射阀主要由阀体4、电磁铁5、阀芯组合体6、浮动阀座7四大部分组成。电磁铁5通过上方螺纹与阀体4连接在一起，电磁铁5主要由铁芯8、线圈9组成，铁芯8两侧开有布置复位弹簧10的环形槽。在电磁铁下方布置有阀芯组合体6，阀芯组合体6下方为浮动阀座7结构，浮动阀座7与阀体4之间未用螺丝实现固定，二者之间的通过导向基座30为中介，用胶圈垫片的组合来实现密封。气罩2的作用在于将原来的混合气道分为两个部分，分别流通气体燃料和空气，气罩采用大的圆角结构，避免棱角结构造成的节流损失，增强系统供气能力。气罩2一端与燃料喷射阀1出口紧密连接，另一端则与燃料扩散管3紧密连接，燃料从燃料喷射阀1喷出经气罩2进入扩散管3。燃料扩散管3位于进气歧管内，紧贴进气歧管布置，侧壁上开设一系列交错的环槽38，环槽采用周向布置且互成90°的形式，使得气体燃料可以通过这一系列的环槽流入到燃气混合区，并使喷射到混合区的气体燃料经过进气撕裂及湍流作用后，和歧管内的空气掺混，提高进气质量，加快燃料与空气的混合。

图3所示的阀芯组合体6主要由衔铁11、弹簧座13、紧固螺栓17、垫片15、底板16、阀芯18组成。衔铁11、垫片15、底板16和阀芯18通过紧固螺栓17链接在一起，弹簧座13安装在底板16上。衔铁11上开有压力平衡孔12，底板16上开有一定数量的压力平衡槽14，避免衔铁11受到轴向力，使衔铁11处内外气路压力更易达到平衡，提高衔铁11响应速度；复位弹簧10位于铁芯8与弹簧座13之间。线圈9通电后，铁芯8、衔铁11被磁化，铁芯8与衔铁11之间形成磁回路，衔铁11受到电磁力的作用克服复位弹簧10的预紧力后向上运动，整个运动过程中，衔铁11的轴向运动与周向定位均由阀座31上的4个导向块29与阀芯18之间的配合来控制实现，直到弹簧座13的上表面与铁芯8的下表面相接触，衔铁11在该位置维持一段时间后，线圈9断电，衔铁11受到的电磁力消失，在铁芯8与弹簧座13之间的复位弹簧10的作用下，衔铁11向下运动，直到衔铁11重新回到初始位置。在阀芯18的四个肋19上分别开2个周向补气孔20，提高响应速度，增加流通面积，同时也可减少质量，提高可靠性。在周向补气孔20处设置一定角度的出气环带24，减少流动损失，增大流量系数。采用轴向主气槽28直接进气和周向补气孔20进气的混合进气方式，增加进气流量系数，增加进气量，同时可以避免气流干涉，使气路达到平衡。阀芯18和阀座31间采用出气环带24，面密封，稳压平衡，并且较宽的环带面积可减少冲击，提高可靠性。

如图4所示，为了防止燃气反向泄漏，提高燃气喷射阀的可靠性和安全性，本发明采用了浮动阀座7结构。浮动阀座7可以在电磁阀外部气压高与内部气压时将电磁阀锁死，有效地防止了燃气的反向泄漏。浮动阀座7由7部分组成：导向基座30、阀座31、和阀座复位弹簧37、密封胶圈33、压紧垫圈35、可变形密封圈36、弹性垫圈32。导向基座30通过螺栓固定在阀体4上，阀座31安装在导向基座30上。导向基座30内圈带有T形结构，与阀座31外圈的T形结构相配合。阀座复位弹簧37两端分别固定在阀座31和阀芯18上，并保持一定的预紧力。

为了防止阀座31和导向基座30之间漏气，在阀座31和导向基座30之间加装了两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座31和导向基座30连接处上方安装可变形密封圈36，可变形密封圈36外沿压紧在导向基座30和阀体4上的安装槽内，通过导向基座30和阀体4间的螺栓预紧力固定。可变形密封圈36内沿上方加装压紧垫圈35，通过螺丝34固定在阀座31上，压紧垫圈35保证受力均匀，增强密封性。可变形密封圈33的材料采用可变形的软塑料，保证其不影响阀座31的运动。第二重密封是在阀座31和导向基座30的T形连接处加装了两层密封胶圈33，进一步增强密封性。在阀座31和导向基座30之间的T形连接处加装了一层弹性垫圈32，减少接触时的振动冲击力，起到了减震的作用。有效地增加了电磁阀的可靠性。

如图5所示，阀座31受阀座复位弹簧37弹力F4、电磁阀外部气体压力F1和F2、电磁阀内部燃气压力F3和阀芯18压紧力的作用。阀芯18受复位弹簧弹力作用。当电磁阀下方气压大于电磁阀内部气压，电磁阀外部气体压力F1、F2分别作用在阀座31下方及出气环带24处，阀座31下方接触面积远大于出气环带24，因此，F1远大于F2，在外部气体压力扩大到导致阀芯18向上运动之前，外部气体压力F1、F2克服复位弹簧10的弹簧预紧力，阀座31连同阀芯18一起向上运动。阀座31向上运动直到弹簧座17与电磁铁相接触。此时即使电磁铁通电，阀芯18也无法向上运动，电磁阀无法开启。电磁阀锁死。

当电磁阀内外气压恢复正常时，阀座31在阀座复位弹簧37的作用下向下运动回到原位。如果此时电磁铁通电，阀芯18仍保持不动，电磁阀正常开启。想要关闭电磁阀时电磁铁断电，阀芯18在复位弹簧的作用下向下运动，电磁阀关闭。如果此时电磁铁未通电，阀座31与阀芯18一起在复位弹簧10的作用下向下运动回到原位，电磁阀保持关闭。想要开启电磁阀时，电磁铁通电，阀芯18在衔铁带动下向上运动，电磁阀正常开启。

在发动机开始工作之前，气体由进气口25垂直流入阀体4内，沿着导流腔27流入充满阀体4内部。

在发动机进气冲程的时候，线圈9通电后，衔铁11受到电磁力的作用克服复位弹簧10的预紧力后向上运动，带动阀芯18向上运动与阀座31表面分离，此时，气路开启，电磁阀开启，气体由轴向主气槽28和周向补气孔20的混合进气方式流入，通过多道错综分布的环腔22，最后由出气口27垂直流出喷射阀，流入气罩；燃料经过气罩2流入燃料扩散管3，再通过各个环槽38喷入到燃气混合区，由于支管上的环槽38采取周向布置且互成90°的形式，使得气体燃料可以通过这一系列的环槽流入到燃气混合区，并使喷射到混合区的气体燃料经过进气撕裂及湍流作用后，燃料与空气可以进行充分的混合再流入到气缸中。

当发动机进气冲程结束后，线圈9断电，衔铁11受到的电磁力消失，在铁芯8与弹簧座13之间的复位弹簧的作用下，衔铁11向下运动，带动阀芯18向下运动，直至阀芯18表面与阀座31表面贴合，恢复到初始位置，气路关闭，燃料喷射阀1关闭，燃料在气管主体部分内的流动也就基本停止，燃料就被储存在气罩2和燃料喷射管3内。待到下次进气冲程时，燃料喷射阀1和气缸气阀打开，储存在气罩2、燃料喷射管3内的燃料会被后续的燃料推送到燃气混合区，在与空气混合后进入气缸，由此提高了整个进气系统供气的响应性。

本发明的具体结构方案如下：

本发明中的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合进气装置，分为燃料喷射阀、连接气罩和燃料扩散管。其中，燃气喷射阀主要由阀体、电磁铁、阀芯组合体、浮动阀座四大部分构成。电磁铁通过其上方螺纹与阀体连接在一起，电磁铁主要由铁芯、线圈组成。铁芯两侧开有布置复位弹簧的环形槽。阀芯组合体主要由衔铁、弹簧座、紧固螺栓、垫片、底板、阀芯组成，衔铁、垫片、底板和阀芯通过紧固螺栓链接在一起，弹簧座安装在底板上，底板上开有一定数量的压力平衡槽，衔铁上带有压力平衡孔，避免衔铁受到轴向力，使衔铁处内外气路压力更易达到平衡，提高衔铁响应速度。复位弹簧位于铁芯与弹簧座之间。浮动阀座由导向基座、阀座、和阀座复位弹簧、密封胶圈、压紧垫圈、可变形密封圈、弹性垫圈组成，导向基座通过螺栓固定在阀体上，阀座安装在导向基座上。导向基座内圈带有T形结构，与阀座外圈的T形结构相配合。阀座复位弹簧两端分别固定在阀座和阀芯上，并保持一定的预紧力。气罩的作用在于将原来的混合气道分为两个部分，分别流通气体燃料和空气。气罩一端与燃料喷射阀出口紧密连接，另一端则与燃料扩散管紧密连接，燃料从燃料喷射阀喷出经气罩进入扩散管。燃料扩散管位于进气歧管内，紧贴进气歧管布置，开有周向布置的、而且互成90°的环槽，燃气经过环槽流入进气歧管内，经过进气撕裂及湍流作用后，和歧管内的空气掺混，提高进气质量。

系统内燃气喷射阀内部，导向部分由4个导向块组成，阀芯周向固定在阀座上的4个导向块上，保证其垂直度，阀芯上下运动由弹簧座与铁芯之间的距离进行限位。在阀芯的四个肋上分别开有周向补气孔，增加流通面积，减少阀芯质量，提高可靠性。阀芯和阀座间也采用三道出气环带，面密封，稳压平衡，并且具有较宽的环带面积，减少流动损失，增大流量系数。

因为燃气喷射阀部分采用了浮动阀座的设计，所以对于密封部件有着更为严苛的要求。在阀座和导向基座之间加装了两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座和导向基座连接处上方安装可变形密封圈，可变形密封圈外沿压紧在导向基座和阀体上的安装槽内，通过导向基座和阀体间的螺栓预紧力固定。可变形密封圈内沿上方加装压紧垫圈，通过螺丝固定在阀座上。可变形密封圈的材料采用可变形的软塑料，保证其不影响阀座的运动。第二重密封是在阀座和导向基座的T形连接处加装了两层密封胶圈。使用浮动阀座的显著效果是：能够有效防止燃气喷射阀出现反向泄漏的情况并具有减震的功能，保证了燃气喷射阀工作的可靠性及安全性。

燃气喷射阀采用的轴向主气槽直接进气和周向补气孔进气的混合进气方式，有效地增加进气流量系数，增加进气量，同时可以避免气流干涉，使气路达到平衡，提高了发动机的供气效率。

所述系统中的气罩部分，其表面结构采用较大的曲率半径，避免较为尖锐的棱角结构，这样可以减小燃料从喷射阀经气罩喷入气管主体部分过程中的节流损失。

所述系统中，燃料扩散管末端要尽量靠近发动机气缸进气阀，以减少进气道内残存的燃气，提高燃料利用效率。

Claims (5)

1.一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：包括燃料喷射阀、气罩、燃料扩散管；

所述燃料喷射阀包括阀体、铁芯、阀芯组合体、浮动阀座，铁芯固定在阀体上端，铁芯里缠绕线圈，铁芯里设置环形槽；所述阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯，衔铁、底板、阀芯自上而下布置同时通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座位于衔铁外部并与衔铁之间形成环形槽，复位弹簧的两端分别布置在铁芯的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分相通，阀芯的中空部分里设置阀座复位弹簧，阀芯上设置密封环带和肋，密封环带形成环腔，阀芯上表面开设轴向主气槽，肋上开有周向补气孔，并在补气孔处设置导流锥角；所述浮动阀座包括导向基座、阀座，导向基座固定在阀体的下方，阀座位于阀芯下方，导向基座内圈设置有T形结构，阀座外圈通过设置与其配合的T形结构安装在导向基座里，阀座复位弹簧的两端分别固定在阀座和衔铁上，阀座上设置出气环带和导向块，导向块位于阀芯周围，出气环带位于环腔下方，出气环带下方设置出气口；

气罩的首端设置在出气口下方，气罩的末端连接燃料扩散管，燃料扩散管位于进气歧管里，燃料扩散管上设置环槽，环槽包括第一类环槽和第二类环槽，燃料扩散管的直径呈阶跃交替变化，第一类环槽位于燃料扩散管直径相对小的位置上，第二类环槽位于燃料扩散管直径相对大的位置上，且第一类环槽和第二类环槽各自成周向布置且互相成90°错开布置。

2.根据权利要求1所述的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：气罩为渐缩喷管，气罩的首端截面面积大于其末端截面面积，气罩的首端和末端两个端截面轴线互成90°。

3.根据权利要求1或2所述的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：在阀座和导向基座之间设置两重防漏气结构，第一重防漏气结构是在阀座和导向基座连接处上方安装可变形密封圈，可变形密封圈内沿上方加装压紧垫圈，第二重防漏气结构是在阀座和导向基座的T形结构连接处设置两层密封胶圈，在阀座和导向基座之间的T形结构连接处设置弹性垫圈。

4.根据权利要求1或2所述的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：铁芯的上部与阀体之间形成进气口，铁芯的中下部与阀体之间形成导流腔，进气口、导流腔相通；气体由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔流入充满阀体内部，线圈通电后，衔铁带动阀芯向上运动与阀座表面分离，气路开启，电磁阀开启，气体由轴向主气槽和周向补气孔的混合进气方式流入，通过环腔，由出气口导向后垂直流入进气弯管和气管，从气管的端部、第一类环槽、第二类环槽进入进气歧管；线圈断电后，在铁芯与弹簧座之间的复位弹簧的作用下，衔铁向下运动，带动阀芯向下运动，直至阀芯表面与阀座表面贴合，恢复到初始位置，气路关闭，电磁阀关闭。

5.根据权利要求3所述的一种防反向的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：铁芯的上部与阀体之间形成进气口，铁芯的中下部与阀体之间形成导流腔，进气口、导流腔相通；气体由进气口垂直流入阀体内，沿着导流腔流入充满阀体内部，线圈通电后，衔铁带动阀芯向上运动与阀座表面分离，气路开启，电磁阀开启，气体由轴向主气槽和周向补气孔的混合进气方式流入，通过环腔，由出气口导向后垂直流入进气弯管和气管，从气管的端部、第一类环槽、第二类环槽进入进气歧管；线圈断电后，在铁芯与弹簧座之间的复位弹簧的作用下，衔铁向下运动，带动阀芯向下运动，直至阀芯表面与阀座表面贴合，恢复到初始位置，气路关闭，电磁阀关闭。