CN107420207A - 一种轴向进气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轴向进气的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，燃料扩散管包括直管和出气环槽。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；通过导向销、压力平衡孔、压力平衡槽和稳压腔能够保证阀开闭的稳定性，增强系统供气和断气的响应性；通过密封环带形成的进气环腔，一方面避免了燃气干涉，保证了气路平衡，另一方面减轻了阀座质量，提高了响应速度；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；通过燃料扩散管环槽结构，使喷出的气体燃料形成涡流，促进燃料与空气的混合程度，有利于燃烧，提高系统工作性能。

Description

一种轴向进气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

不断提高的排放标准和日益严峻的能源危机问题对发动机技术提出了新的挑战，以天然气为首的许多气体燃料作为发动机的替代燃料成为了国内外许多科研工作者的研究重点，气体燃料发动机也成为了广泛研究的对象。一整套进气系统，包括从燃料喷射阀到进气歧管再到气缸气阀等诸多部分，燃料和空气流经的每个部分对于气体燃料发动机的性能都具有重要意义。对于气体燃料的喷射，既要求喷射流量大、喷射效率高、供气充足，同时还要求喷射稳定、响应性好；并且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。

为实现燃料供给的高响应性和燃料与空气的充分混合，许多研究人员在研究了一系列进气系统，这些系统结构虽然为燃气供给提供了一种较好的方法，但同时也存在着一些不足。例如：CN106050479A专利“一种燃料喷射发及喷射管结构、安装布置方法”中介绍了一种发动机燃料喷射发及喷管结构，其特点在于在喷管侧壁上开设了许多排喷口，各排喷口交错分布，在一定成程度上增强了燃料与空气的混合，但是气体燃料在从喷口喷出后，在进气道径向方向上的气体浓度会逐渐降低，这也会造成燃料与空气混合不充分。

发明内容

本发明的目的在于提供供气量充足、喷射压力稳定、响应速度快的一种轴向进气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：

本发明一种轴向进气的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：包括燃气喷射阀、气罩、燃料扩散管；

所述燃气喷射阀包括阀体、阀座、电磁铁、阀芯组合体，阀座固定在阀体下方并与阀体之间形成阀空间，电磁铁位于阀空间里并与阀体上端固定，电磁铁里缠绕线圈，阀芯组合体位于阀空间里并设置在电磁铁下方，所述的阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯、导向销，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，电磁铁内部设置环形槽，主复位弹簧的两端分别布置在电磁铁的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处安装导向销，导向销伸入至电磁铁里，电磁铁里设置辅复位弹簧，辅复位弹簧的两端分别接触电磁铁和导向销，导向销里设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，阀芯下方的阀座上设置中心稳压腔，阀座的外端设置端部稳压腔，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分以及中心稳压腔相通并构成内部空间，阀芯上设置密封环带，密封环带形成进气环腔，阀座上设置出气环带，出气环带位于进气环腔下方，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，燃料扩散管上设置燃气喷射孔，燃气喷射孔包括第一类燃气喷射孔和第二类燃气喷射孔，燃料扩散管的直径呈阶跃交替变化，第一类燃气喷射孔位于燃料扩散管直径相对小的位置上，第二类燃气喷射孔位于燃料扩散管直径相对大的位置上，且第一类燃气喷射孔和第二类燃气喷射孔各自成周向布置且互相成90°错开布置，第一类燃气喷射孔和第二类燃气喷射孔均倾斜设置，倾斜方向为发动机进气方向。

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、电磁铁的上部与阀体之间形成进气口，电磁铁的中下部与阀体之间形成进气腔，阀芯组合体与阀体之间形成导流腔，进气口、进气腔、导流腔相通并构成外部空间，外部空间与内部空间相通，阀芯上设置轴向进气孔；

燃气经进气口垂直流入进气腔，一部分燃气流入到内部空间以及阀座的中心稳压腔，其余燃气继续垂直流动，在导流腔的导流作用下，一部分燃气流经轴向进气孔，充满阀芯上的进气环腔，另一部分燃气流入阀座外端的端部稳压腔内；

燃气喷射阀工作过程中，在线圈未通电时，在主复位弹簧和辅复位弹簧的预紧力作用下，阀芯上的密封环带与阀座的上表面紧密配合，燃气充满燃气喷射阀的阀体内部的外部空间和内部空间；线圈通电后，衔铁受到向上电磁力的作用，阀芯组合体在克服主复位弹簧、辅复位弹簧的预紧力后向上运动，阀芯与阀座表面分离，燃气喷射阀开启，气路开启，燃气由阀芯上的轴向进气孔流入，通过进气环腔，经由阀芯与阀座之间的空隙，由出气口导向后垂直流入进气弯管和气管，从气管的端部、第一类气管环槽、第二类气管环槽进入进气歧管；线圈断电后，在主复位弹簧和辅复位弹簧的预紧力作用下，衔铁向下运动，阀芯组合体整体向下运动，直至阀芯表面与阀座表面贴合，重新回到初始位置，燃气喷射阀关闭，气路关闭。

本发明的优势在于：本发明可以提高进气响应，首先装置于导向销处设置了压力平衡孔，于底板处设置了压力平衡槽，保证了衔铁上下无燃气压力差，避免了阀芯组合体中衔铁受到额外的轴向力，提高了燃气喷射阀的响应速度；其次阀芯底端应用密封环带进而形成进气环腔，减轻了阀芯的质量，从而进一步的提高了响应。最后，气管外面的发动机进气歧管同时吸入空气，和经过燃气喷射孔喷出的燃气湍流混合之后，混合效果更加均匀，同时气管直段末端靠近发动机进气阀，提高了进气响应性。

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4a为燃料扩散管示意图，图4b为B-B视图，图4c为C-C视图；

图5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1-5，本发明是一种轴向进气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1主要由阀体4、电磁铁5、线圈6、主复位弹簧7、辅复位弹簧9、阀芯组合体10、密封胶圈12和阀座13组成。电磁铁5通过其上方的螺纹与阀体4连接在一起，使其固定在阀体4上方的中心位置，线圈6缠绕在电磁铁5内部的环槽内，在电磁铁5下方自上而下依次布置有阀芯组合体10、阀座13，阀座13上开有螺栓孔，阀座13与阀体4之间通过螺栓固定连接在一起，二者之间的配合面通过密封胶圈12来实现密封。气罩2一端通过法兰与燃料喷射阀1出口紧密连接，另一端则与燃料扩散管3紧密连接。气罩2和燃料扩散管3相互连通。在燃料扩散管3内侧壁上开设一系列周向布置的、互相成90°垂直的环槽31，气体燃料可以通过从燃料扩散管3上的一系列的斜孔31流入到进气歧管中，并使之与进气歧管中的空气形成涡流，加快燃料与空气的混合。

图3为燃气喷射阀中的阀芯组合体10，由由导向销14、衔铁15、弹簧座16、底板17、阀芯18、卡簧21、垫片22和紧固螺栓24组成，衔铁15通过紧固螺栓24与底板17、阀芯18连接在一起，衔铁15与底板17之间布置有一层垫片22，底板17上方开有四个压力平衡槽23，弹簧座16安装在底板17的上方，其内部的侧表面与衔铁15的侧表面相接触，主复位弹簧7的两端分别位于电磁铁5与弹簧座16的环形槽内，电磁铁5中心开有一定深度的直槽，电磁铁5与衔铁15之间的导向销14布置在直槽内部，导向销14上方与电磁铁5之间布置有辅复位弹簧9，导向销14中心开有压力平衡孔20，布置在衔铁15的中心位置，利用卡簧21将其与衔铁15固定起来，导向销14中心处的压力平衡孔20配合底板17上的压力平衡槽23使得阀芯组合体10内部空间与外部空间连通，内外气路达到平衡，阀芯组合体10的内外燃气无压力差，避免自身在运动时受到额外的轴向力，阀芯18由阀芯主体、密封环带19这两部分构成，阀芯组合体10整体布置在电磁铁5下方。

燃气喷射阀工作过程中，在线圈6未通电时，在主复位弹簧7和辅复位弹簧9的预紧力作用下，阀芯组合体10在初始位置维持不动，阀芯组合体10中的阀芯18上的密封环带19与阀座13的上表面紧密配合，此时出气环带11附近的环腔与阀体4内部空间尚未连通，燃气充满燃气喷射阀的阀体4内部的整个空间。

阀座13在中心位置以及靠近密封环带19处两端均开有稳压腔8，阀座13中心位置的稳压腔8与阀芯组合体10内部的燃气空间相连通，而阀座13两端的稳压腔8与阀体4内的导流腔27相连通；阀座13上的稳压腔8能够有效地抑制燃气喷射阀在工作过程中引起的燃气压力的波动，保证了燃气喷射阀喷气压力的稳定性。

燃气喷射阀工作过程中，在线圈6未通电时，在主复位弹簧7和辅复位弹簧9的预紧力作用下，阀芯组合体10在初始位置维持不动，阀芯组合体10中的阀芯18上的密封环带19与阀座13的上表面紧密配合，此时出气环带11附近的环腔29与阀体4内部空间尚未连通，燃气充满燃气喷射阀的阀体4内部的整个空间。线圈6通电后，电磁铁5、衔铁15被磁化，衔铁15受到向上电磁力的作用，由于紧固螺栓24将阀芯组合体10中包括衔铁15在内的各个组件固定在一起，阀芯组合体10同样受到向上的作用力，在克服主复位弹簧7、辅复位弹簧9的预紧力后向上运动，随之一同向上运动的阀芯18与阀座13表面分离，此时，燃气喷射阀开启，气路开启，燃气由阀芯18上的轴向进气孔25流入，通过多道密封环带19周围具有一定深度的进气环腔29，经由阀芯18与阀座13之间的空隙，最后经由出气口30导向后垂直流出。

在发动机进气冲程结束后，燃料喷射阀1内线圈断电，衔铁15受到的电磁力消失，在电磁铁5与弹簧座16之间的主复位弹簧7和导向销14和电磁铁5之间的辅复位弹簧9的作用下，衔铁15向下运动，带动阀芯18向下运动，直至阀芯18表面与阀座13表面贴合，衔铁15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。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、燃料扩散管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的供气响应性。

本发明的具体结构方案如下：

本发明中的一种轴向进气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、连接气罩和燃料扩散管。燃料喷射阀主要由阀体、电磁铁、线圈、主复位弹簧、辅复位弹簧、阀芯组合体、密封胶圈和阀座组成，电磁铁通过其上方的螺纹与阀体连接在一起，使其固定在阀体上方的中心位置，线圈缠绕在电磁铁内部的环槽内，在电磁铁下方自上而下依次布置有阀芯组合体、阀座，阀座与阀体之间通过螺栓固定连接在一起，二者之间的配合面通过密封胶圈来实现密封，阀座在中心位置以及靠近密封环带处两端均开有稳压腔，阀座中心位置的稳压腔与阀芯组合体内部的燃气空间相连通，而阀座两端的稳压腔与阀体内的导流腔相连通；前述的阀芯组合体由导向销、衔铁、弹簧座、垫片、底板、卡簧、紧固螺栓和阀芯组成，衔铁通过紧固螺栓与底板、阀芯连接在一起，衔铁与底板之间布置有一层垫片，底板上方开有四个压力平衡槽，弹簧座安装在底板的上方，其内部的侧表面与衔铁的侧表面相接触，主复位弹簧的两端分别位于电磁铁与弹簧座的环形槽内，电磁铁中心开有一定深度的直槽，电磁铁与衔铁之间的导向销布置在直槽内部，导向销上方与电磁铁之间布置有辅复位弹簧，导向销中心开有压力平衡孔，布置在衔铁的中心位置，利用卡簧将其与衔铁固定起来，阀芯由阀芯主体、密封环带组成，阀芯组合体整体布置在电磁铁下方。气罩的作用在于连接燃气喷射阀和进气歧管，防止燃气泄漏。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燃料扩散管。燃料扩散管位于进气歧管内，在气管直段内侧壁上开设一系列周向布置的、而且互成90°的环槽，气体燃料可以通过这一系列的环槽从各个支管流入到燃气混合区，并且与从进气歧管喷射出的空气形成涡流，加快燃料与空气的混合。

所述燃料喷射发中导向销部分，位于电磁铁和衔铁中心槽之中，并在中心位置开设压力平衡孔，压力平衡孔与导向销下方底板开设的周向压力平衡槽相通，使内外气路达到平衡，阀芯组合体内外燃气无压力差，避免自身在运动时受到额外的轴向力，进一步地提高了燃气喷射阀的响应速度，降低了燃气喷射阀工作的控制难度。

所述燃料喷射发中阀芯组合体和阀座结合处部分，阀芯底端应用密封环带进而形成进气环腔，燃气沿轴向进入，一方面避免了燃气干涉，保证了气路平衡，另一方面减轻了阀座质量，提高了响应速度。

所述系统中燃料喷射阀座的中心和外围开有稳压腔，阀座中心位置的稳压腔与阀芯组合体内部的燃气空间相连通，而阀座外围处的稳压腔与阀体内的导流腔相连通，能够有效抑制阀内部气体压力的波动，提高系统工作稳定性，实现系统高响应速度。

所述系统中燃料喷射出口通路部分，由轴向进气孔、阀芯密封环带、阀座出气孔组成。当燃料喷射阀处于关闭状态时，阀芯密封环带和阀座的上表面紧密配合，形成密封面，放置燃料进入进气歧管。当燃料喷射阀处于开启状态时，燃气由阀芯上的轴向进气孔流入，通过多道密封环带周围具有一定深度的进气环腔，经由阀芯与阀座之间的空隙，最后经由出气口导向后垂直流出。阀芯和阀座间采用多道环带，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。

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，气罩连接着燃料喷射阀和进气歧管，防止燃气泄漏。

所述系统中燃料扩散管中气管弯曲段的直径是逐渐减小的，所以这个弯曲喷管作用类似于渐缩喷管，从而经燃气喷射阀喷射出的燃气经过渐缩喷管的加速作用后进入气管结构的直段，此时燃气流速较高，而在气管的直段又开有周向布置的、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。

Claims (3)

1.一种轴向进气的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：包括燃气喷射阀、气罩、燃料扩散管；

所述燃气喷射阀包括阀体、阀座、电磁铁、阀芯组合体，阀座固定在阀体下方并与阀体之间形成阀空间，电磁铁位于阀空间里并与阀体上端固定，电磁铁里缠绕线圈，阀芯组合体位于阀空间里并设置在电磁铁下方，所述的阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯、导向销，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，电磁铁内部设置环形槽，主复位弹簧的两端分别布置在电磁铁的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处安装导向销，导向销伸入至电磁铁里，电磁铁里设置辅复位弹簧，辅复位弹簧的两端分别接触电磁铁和导向销，导向销里设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，阀芯下方的阀座上设置中心稳压腔，阀座的外端设置端部稳压腔，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分以及中心稳压腔相通并构成内部空间，阀芯上设置密封环带，密封环带形成进气环腔，阀座上设置出气环带，出气环带位于进气环腔下方，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，燃料扩散管上设置燃气喷射孔，燃气喷射孔包括第一类燃气喷射孔和第二类燃气喷射孔，燃料扩散管的直径呈阶跃交替变化，第一类燃气喷射孔位于燃料扩散管直径相对小的位置上，第二类燃气喷射孔位于燃料扩散管直径相对大的位置上，且第一类燃气喷射孔和第二类燃气喷射孔各自成周向布置且互相成90°错开布置，第一类燃气喷射孔和第二类燃气喷射孔均倾斜设置，倾斜方向为发动机进气方向。

2.根据权利要求1所述的一种轴向进气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所述的一种轴向进气的集成式交叉环槽气体燃料喷射混合装置，其特征是：电磁铁的上部与阀体之间形成进气口，电磁铁的中下部与阀体之间形成进气腔，阀芯组合体与阀体之间形成导流腔，进气口、进气腔、导流腔相通并构成外部空间，外部空间与内部空间相通，阀芯上设置轴向进气孔；

燃气经进气口垂直流入进气腔，一部分燃气流入到内部空间以及阀座的中心稳压腔，其余燃气继续垂直流动，在导流腔的导流作用下，一部分燃气流经轴向进气孔，充满阀芯上的进气环腔，另一部分燃气流入阀座外端的端部稳压腔内；

燃气喷射阀工作过程中，在线圈未通电时，在主复位弹簧和辅复位弹簧的预紧力作用下，阀芯上的密封环带与阀座的上表面紧密配合，燃气充满燃气喷射阀的阀体内部的外部空间和内部空间；线圈通电后，衔铁受到向上电磁力的作用，阀芯组合体在克服主复位弹簧、辅复位弹簧的预紧力后向上运动，阀芯与阀座表面分离，燃气喷射阀开启，气路开启，燃气由阀芯上的轴向进气孔流入，通过进气环腔，经由阀芯与阀座之间的空隙，由出气口导向后垂直流入进气弯管和气管，从气管的端部、第一类气管环槽、第二类气管环槽进入进气歧管；线圈断电后，在主复位弹簧和辅复位弹簧的预紧力作用下，衔铁向下运动，阀芯组合体整体向下运动，直至阀芯表面与阀座表面贴合，重新回到初始位置，燃气喷射阀关闭，气路关闭。