CN110374776B - 一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴，包括喷嘴体，所述喷嘴体中设有容置腔，在容置腔中设有针阀电极、绝缘针阀、接地电极，所述针阀电极包括相连接的电极台和电极杆，电极杆位于绝缘针阀中且二者之间的空隙为电离空间，接地电极包裹在绝缘针阀外周，所述电极台的外围设有绝缘套，所述绝缘套通过定位销固定在喷嘴体上部；在容置腔的一侧设有第一燃料通道；在容置腔的另一侧设有第二燃料通道。本申请实现了改善雾化、改善燃烧、降低有害燃烧产物排放水平及扩大着火范围的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种双燃料喷嘴，具体说是一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴。
背景技术
日趋严格的节能环保要求已成为发动机研究领域所面临的最大挑战。随着发动机技术的不断推陈出新，在不同负荷、不同工况等条件下，发动机最佳经济性、动力性及排放特性对燃料的要求也有很大差异。因此，传统单一燃料发动机在某些特定应用场合中已渐渐无法满足人们的要求。在这种趋势下，双燃料发动机成为了一个必然的选择。
由于可以根据具体工况灵活的控制不同燃料的喷射策略,以达到良好的发动机性能，双燃料发动机已经逐渐的应用到了车用、船舶等动力领域。在现有双燃料技术路线中，每种燃料采用单独燃油供给及喷射系统的方案具有较高的可靠性，但其成本高、结构布置所占空间较大，无法应用于某些需要紧凑结构的发动机中；而双燃料喷射器由于结构复杂、可靠性低等问题，还没有成为业内的主流解决方案。
现有发动机双燃料喷嘴的结构如专利为CN200520029399.2中所述，其结构非常简单，一般由喷嘴体、针阀、阀套、电磁阀组成。工作时，阀套抬起、针阀落座实现燃料a的喷射，针阀抬起、阀套落座实现燃料b的喷射，高压燃料a及电磁阀控制阀套的抬起与落座，高压燃料b及电磁阀控制针阀的抬起与落座。但其缺点是：(1)燃料a及燃料b均采用常规的压力雾化技术，因此要得到良好的雾化必须采用极高的喷射压力，这带来了成本的升高及可靠性的下降；(2)压力雾化技术并未改变燃料的反应活性，因此在某些应用中，必须采用增大点火能量等方式来达到较佳的点火及燃烧性能。
发明内容
为解决现有发动机双燃料喷嘴雾化效果差、使用成本高、可靠性低等问题，本申请提供一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴，包括喷嘴体，所述喷嘴体中设有容置腔，在容置腔中设有针阀电极、绝缘针阀、接地电极，所述针阀电极包括相连接的电极台和电极杆，电极杆位于绝缘针阀中且二者之间的空隙为电离空间，接地电极包裹在绝缘针阀外周，所述电极台的外围设有绝缘套，所述绝缘套通过定位销固定在喷嘴体上部；在容置腔的一侧设有第一燃料通道，所述第一燃料通道的一端与容置腔底部相连，第一燃料通道的另一端与位于喷嘴体顶部的电磁阀a相连；在容置腔的另一侧设有第二燃料通道，所述第二燃料通道的一端与容置腔上部相连，第二燃料通道的另一端与位于喷嘴体顶部的电磁阀b相连，在电磁阀a与电磁阀b之间设有电磁阀c，所述电磁阀c与针阀电极顶部相连；在喷嘴体底部设有与外界连通的喷孔a和喷孔b，容置腔底部设有压力室，所述喷孔a和喷孔b均与压力室相连；在第一燃料通道与容置腔之间设有润滑孔。
进一步的，所述润滑孔的数量为3个,最上面的润滑孔用于将少量燃料从所述第一燃料通道中引入针阀电极与绝缘套之间，其他两个润滑孔用于将少量燃料从所述第一燃料通道中引入接地电极外侧与容置腔之间。
进一步的，所述针阀电极由金属材料制成，控制第二燃料通道的开启及闭合，还能充当高压电极，实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电。
进一步的，所述绝缘针阀由绝缘材料制成，控制第一燃料通道的开启及闭合，还能充当介质层，用于实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电。
进一步的，接地电极由金属材料制成，其作用是充当低压电极，实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电。
进一步的，所述电磁阀a用于控制第一燃料通道的燃料供给，电磁阀b用于控制第二燃料通道的燃料供给，电磁阀c用于控制针阀电极的抬起及落座。
更进一步的，所述绝缘套用于实现针阀电极及喷嘴体之间的绝缘。
更进一步的，所述第一燃料通道、第二燃料通道主体均倾斜设置在喷嘴体中。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：本申请采用介质阻挡放电激励的方式对发动机双燃料喷嘴中的主要燃料进行电离，能够利用非平衡等离子体气动效应改善第二燃料的分布范围、利用非平衡等离子体化学效应改善喷雾的反应活性，最终实现改善雾化、改善燃烧、降低有害燃烧产物排放水平及扩大着火范围的目的。同时，当申请中的针阀电极不通电时，本方案可以作为普通双燃料喷嘴正常工作。
附图说明
图1为本申请中发动机双燃料喷嘴剖视图；
图2为实施例中天然气喷射及电离过程示意图；
图3为实施例中柴油喷射过程示意图；
图4为实施例2中控制方法示意图。
图中序号说明：1-喷嘴体，11-润滑孔，12-第一燃料通道，13-第二燃料通道，14-喷孔，15-压力室，16-电离空间，2-电磁阀a，3-电磁阀c，4-电磁阀b，5-定位销，6-绝缘套，7-针阀电极，8-绝缘针阀，9-接地电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：以此为例对本申请做进一步的描述说明。
实施例1
如图1-3所示，本实施例提供一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴，包括喷嘴体、电磁阀、定位销、绝缘套、针阀电极、绝缘针阀、接地电极；所述喷嘴体是主要结构，用于承载其他各部件及结构，并实现燃料喷射，在所述喷嘴体上加工有第二燃料通道13、第一燃料通道12及三个润滑孔11；所述第二燃料通道13用于引入天然气，所述第一燃料通道用于引入柴油，最上面润滑孔11用于将少量柴油从所述第一燃料通道12中引入针阀电极7与绝缘套6之间、下面两个润滑孔用于将少量柴油从所述第一燃料通道中引入接地电极外侧与容置腔之间，从而实现二者的润滑；所述电磁阀一共有三个，其中电磁阀a及电磁阀b分别用于控制柴油及天然气的燃料供给，电磁阀b用于控制针阀电极7的抬起及落座；所述定位销5用于喷嘴体1及绝缘套6之间的定位，从而使喷嘴体1及绝缘套6之间的润滑孔11连通；所述绝缘套用于实现针阀电极7及喷嘴体1之间的绝缘；所述针阀电极7由金属材料制成，有两个作用，第一个作用是控制第二燃料通路的开启及闭合，第二个作用是充当高压电极，实现针阀电极7-接地电极9之间的介质阻挡放电；所述绝缘针阀8由绝缘材料制成，有两个作用，第一个作用是控制第一燃料通路的开启及闭合，第二个作用是充当介质层，用于实现针阀电极7-接地电极9之间的介质阻挡放电；所述接地电极9由金属材料制成，其作用是充当低压电极，实现针阀电极7-接地电极9之间的介质阻挡放电。
以第一燃料为柴油，第二燃料为天然气为例：工作时，电磁阀b首先抬起，天然气进入第二燃料通道13，随即针阀电极7放电，电离空间16内的天然气在电场作用下形成等离子体，此时针阀电极7抬起，电离后的高活性天然气经喷孔14喷入到发动机燃烧室。随即，天然气停止供气，柴油供油开始，少量柴油经第一燃料通道12、压力室15及喷孔14喷入到燃烧室内，在发动机缸内巨大压力温度作用下着火、并引燃此时已喷入燃烧室的天然气。由于天然气已被电离成具有很高反应活性的等离子体，因此极易被柴油引燃，燃烧开始。
如果针阀电极7不通电，则本方案可作为常规的柴油-天然气双燃料喷嘴使用。
实施例2
本实施例以第一燃料为柴油，第二燃料为天然气为例进一步展开说明：如图4所示，本实施例提供一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴的控制方法，具体步骤为：
(1)在第n个循环，曲轴位置传感器判断曲轴位置，若当前曲轴转角未到设定值，则继续判断；若已到设定值，则由ECU对电磁阀b4输出抬起指令，此时记为时间原点t。
(2)电磁阀b4抬起，天然气经燃料供给管路进入第二燃料通道13。
(3)以时间原点t为起始点，在经过标定的Δt1时间间隔后(Δt1为从时间原点t算起，到天然气即将进入电离空间16的时间)，ECU发出指令，电源给针阀电极7以较高电压U(例如：15～20kV)供电。
(4)针阀电极7、绝缘针阀8、接地电极9之间开始介质阻挡放电(此时天然气刚好充满电离空间16)，位于电离空间16内的天然气被电离成为具有高反应活性的非平衡等离子体。
(5)以t+Δt1记为时间原点，经过标定的Δt2时间后(Δt2为从放电开始至天然气即将充满电离空间16的时长)，ECU发出指令，电磁阀c3抬起。
(6)针阀电极7在电磁阀c3的作用下抬起，此时第二燃料通道13、电离空间16、压力室15、喷孔14与发动机燃烧室形成天然气通路，天然气电离产生的等离子体从喷孔14喷出、进入燃烧室中。
(7)以t+Δt1+Δt2记为时间原点，在经过标定的Δt3时间后(Δt3为从以t+Δt1+Δt2为时间原点、到完成该工况下发动机正常工作所需流量的天然气喷射的时间)，ECU发出指令，电磁阀b4关闭，天然气停止供气。
(8)以t+Δt1+Δt2+Δt3记为时间原点，在经过标定的Δt4时间后(Δt4为从电磁阀b4关闭开始、到喷嘴体内所有残余天然气均喷入燃烧室所需的时间)，ECU发出指令，电磁阀c3推动针阀电极7落座，第二燃料通道13、电离空间16、压力室15、喷孔14与发动机燃烧室形成的天然气通路关闭。
(9)以t+Δt1+Δt2+Δt3+Δt4记为时间原点，在经过标定的Δt5时间后(Δt5为以所有天然气均已喷入燃烧室内的时刻算起、天然气在发动机燃烧室内形成较均匀分布所需的时间)，ECU发出指令，电磁阀a2抬起，高压柴油进入第一燃料通道12。
(10)绝缘针阀8在高压柴油的作用下抬起，第一燃料通道12、压力室15、喷孔14与发动机燃烧室构成通路，柴油从喷孔14喷出。
(11)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU。若p≥p1(p1为当曲轴位于某一特定位置时，数个循环内发动机正常点火所对应缸内压力的平均值，应有一定裕度)，则ECU判断喷嘴工作正常，随即进入下一循环；若p<p1，则发动机认为喷嘴未正常工作，随即在n+1个循环时，电源将以U+ΔU1的电压放电。
(12)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU。若p≥p1(p1为当曲轴位于某一特定位置时，数个循环内发动机正常点火所对应缸内压力的平均值，应有一定裕度)，则ECU判断喷嘴工作正常，随即进入下一循环；若p<p1，则发动机认为喷嘴未正常工作，随即在n+2个循环时，电源将以U+ΔU2的电压放电，ΔU2>ΔU1。
(13)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU。若p≥p1(p1为当曲轴位于某一特定位置时，数个循环内发动机正常点火所对应缸内压力的平均值，应有一定裕度)，则ECU判断喷嘴工作正常，随即进入下一循环；若p<p1，则ECU终止电源供电，并输出喷嘴工作异常信息。
本申请中的第一燃料和第二燃料组合可以为：柴油-天然气；汽油-天然气；甲醇-天然气；柴油-甲醇；汽油-甲醇；柴油-乙醇；汽油-乙醇；天然气-乙醇；柴油-二甲醚。
但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴的控制方法，其特征在于，包括：
(1)在第n个循环，曲轴位置传感器判断曲轴位置，若当前曲轴转角未到设定值，则继续判断；若已到设定值，则由ECU对电磁阀b输出抬起指令，此时记为时间原点t；
(2)电磁阀b抬起，天然气经燃料供给管路进入第二燃料通道；
(3)以时间原点t为起始点，在经过标定的Δt1时间间隔后，ECU发出指令，电源给针阀电极以较高电压U供电；Δt1为从时间原点t算起，到天然气即将进入电离空间的时间；
(4)针阀电极、绝缘针阀、接地电极之间开始介质阻挡放电，位于电离空间内的天然气被电离成为具有高反应活性的非平衡等离子体；
(5)以t+Δt1记为时间原点，经过标定的Δt2时间后，ECU发出指令，电磁阀c抬起；Δt2为从放电开始至天然气即将充满电离空间的时长；
(6)针阀电极在电磁阀c的作用下抬起，此时第二燃料通道、电离空间、压力室、喷孔与发动机燃烧室形成天然气通路，天然气电离产生的等离子体从喷孔喷出、进入燃烧室中；
(7)以t+Δt1+Δt2记为时间原点，在经过标定的Δt3时间后，ECU发出指令，电磁阀b关闭，天然气停止供气；Δ t3为从以t+Δt1+Δt2为时间原点、到完成发动机正常工作所需流量的天然气喷射的时间；
(8)以t+Δt1+Δt2+Δt3记为时间原点，在经过标定的Δt4时间后，ECU发出指令，电磁阀c推动针阀电极落座，第二燃料通道、电离空间、压力室、喷孔与发动机燃烧室形成的天然气通路关闭；Δt4为从电磁阀b关闭开始、到喷嘴体内所有残余天然气均喷入燃烧室所需的时间；
(9)以t+Δt1+Δt2+Δt3+Δt4记为时间原点，在经过标定的Δt5时间后，ECU发出指令，电磁阀a抬起，高压柴油进入第一燃料通道；Δt5为以所有天然气均已喷入燃烧室内的时刻算起、天然气在发动机燃烧室内形成较均匀分布所需的时间；
(10)绝缘针阀在高压柴油的作用下抬起，第一燃料通道、压力室、喷孔与发动机燃烧室构成通路，柴油从喷孔喷出；
(11)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU；若p≥p1，p1为当曲轴位于某一特定位置时，数个循环内发动机正常点火所对应缸内压力的平均值，则ECU判断喷嘴工作正常，随即进入下一循环；若p<p1，则发动机认为喷嘴未正常工作，随即在n+1个循环时，电源将以U+ΔU1的电压放电；
(12)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU；若p≥p1，则ECU判断喷嘴工作正常，随即进入下一循环；若p<p1，则发动机认为喷嘴未正常工作，随即在n+2个循环时，电源将以U+ΔU2的电压放电，ΔU2>ΔU1；
(13)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU ；若p≥p1，则ECU判断喷嘴工作正常，随即进入下一循环；若p<p1，则ECU终止电源供电，并输出喷嘴工作异常信息；
上述控制方法是在发动机双燃料喷嘴中实施的，所述发动机双燃料喷嘴包括喷嘴体（1），所述喷嘴体（1）中设有容置腔，在容置腔中设有针阀电极（7）、绝缘针阀（8）、接地电极（9），所述针阀电极（7）包括相连接的电极台和电极杆，电极杆位于绝缘针阀（8）中且二者之间的空隙为电离空间（16），接地电极（9）包裹在绝缘针阀（8）外周，所述电极台的外围设有绝缘套（6），所述绝缘套（6）通过定位销（5）固定在喷嘴体（1）上部；在容置腔的一侧设有第一燃料通道（12），所述第一燃料通道（12）的一端与容置腔底部相连，第一燃料通道（12）的另一端与位于喷嘴体（1）顶部的电磁阀a（2）相连；在容置腔的另一侧设有第二燃料通道（13），所述第二燃料通道（13）的一端与容置腔上部相连，第二燃料通道（13）的另一端与位于喷嘴体（1）顶部的电磁阀b（4）相连，在电磁阀a（2）与电磁阀b（4）之间设有电磁阀c（3），所述电磁阀c（3）与针阀电极（7）顶部相连；在喷嘴体（1）底部设有与外界连通的喷孔a和喷孔b，容置腔底部设有压力室（15），所述喷孔a和喷孔b均与压力室（15）相连；在第一燃料通道（12）与容置腔之间设有润滑孔（11）；
所述针阀电极（7）由金属材料制成，控制第二燃料通道（13）的开启及闭合，还能充当高压电极，实现针阀电极（7）与接地电极（9）之间的介质阻挡放电；
所述绝缘针阀（8）由绝缘材料制成，控制第一燃料通道（12）的开启及闭合，还能充当介质层，用于实现针阀电极（7）与接地电极（9）之间的介质阻挡放电；
接地电极（9）由金属材料制成，其作用是充当低压电极，实现针阀电极（7）与接地电极（9）之间的介质阻挡放电。
2.根据权利要求1所述一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴的控制方法，其特征在于，所述润滑孔（11）的数量为3个,最上面的润滑孔（11）用于将燃料从所述第一燃料通道（12）中引入针阀电极（7）与绝缘套（6）之间，其他两个润滑孔（11）用于将燃料从所述第一燃料通道（12）中引入接地电极（9）外侧与容置腔之间。
3.根据权利要求1所述一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴的控制方法，其特征在于，所述电磁阀a（2）用于控制第一燃料通道的燃料供给，电磁阀b（4）用于控制第二燃料通道的燃料供给，电磁阀c（3）用于控制针阀电极（7）的抬起及落座。
4.根据权利要求1所述一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴的控制方法，其特征在于，所述绝缘套（6）用于实现针阀电极（7）及喷嘴体（1）之间的绝缘。
5.根据权利要求1所述一种采用等离子体激励技术的发动机双燃料喷嘴的控制方法，其特征在于，所述第一燃料通道（12）、第二燃料通道（13）主体均倾斜设置在喷嘴体（1）中。
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2019
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