CN110410249B - 一种双燃料喷嘴及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双燃料喷嘴及其使用方法，包括喷嘴体和针阀电极，所述喷嘴体中设有容置腔，所述针阀电极包括相连的电极接头和电极杆，所述电极杆位于容置腔中，在电极杆与容置腔之间设有绝缘针阀；在电极杆底部一侧设有燃料槽a，在电极杆底部另一侧设有燃料槽b；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燃料槽b相连，第二燃料通道的另一端与位于喷嘴体顶部的电磁阀c相连。本申请将针阀传统的往复运动部分改变为旋转运动，能够有效的降低针阀的冲击，提高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种喷嘴，具体说是一种双燃料喷嘴及其使用方法。
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
本申请提供一种双燃料喷嘴及其使用方法，将针阀传统的往复运动部分改变为旋转运动，能够有效的降低针阀的冲击，提高可靠性。
为实现上述目的，本申请的技术方案为：一种双燃料喷嘴，包括喷嘴体和针阀电极，所述喷嘴体中设有容置腔，所述针阀电极包括相连的电极接头和电极杆，所述电极杆位于容置腔中，在电极杆与容置腔之间设有绝缘针阀；在电极杆底部一侧设有燃料槽a，在电极杆底部另一侧设有燃料槽b；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燃料槽b相连，第二燃料通道的另一端与位于喷嘴体顶部的电磁阀c相连，在电磁阀a与电磁阀c之间设有电磁阀b，所述电磁阀b与电极接头相连；在喷嘴体底部设有与外界连通的喷孔，所述喷孔与压力室相连，所述压力室位于燃料槽a与燃料槽b下面。
进一步的，第一燃料通道为甲醇燃料通道，第二燃料通道为天然气燃料通道，燃料槽a为甲醇槽，燃料槽b为天然气槽。
进一步的，所述甲醇燃料通道用于引入甲醇，所述天然气燃料通道用于引入天然气。
进一步的，所述针阀电极由金属材料制成，有三个作用，第一个作用是通过旋转运动实现天然气燃料通道的开启及闭合的控制，第二个作用是通过往复运动实现甲醇燃料通道的开启及闭合的控制，第三个作用是充当高压电极、实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电。
进一步的，甲醇槽、天然气槽及压力室所构成的空间在放电时构成放电空间。
进一步的，所述绝缘针阀由绝缘材料制成，有两个作用，第一个作用是充当介质层，用于实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电，第二个作用是实现针阀电极与喷嘴体之间的绝缘。
本申请还提供一种双燃料喷嘴使用方法，具体包括如下步骤：
(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c 输出抬起指令，此时记为时间原点t；
(2)电磁阀c抬起，天然气经燃料供给系统管路进入天然气燃料通道；
(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，针阀电极在电磁阀b的作用下旋转换一个角度，使天然气燃料通道与天然气槽连通，天然气进入电离空间；
(4)针阀电极旋转的同时，电源给针阀电极5以较高电压U供电；
(5)针阀电极、绝缘针阀、喷嘴体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，随即电离后的天然气经喷孔喷出、进入燃烧室；
(6)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关闭，天然气停止供气；
(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推动针阀电极回转，天然气槽与天然气燃料通道的通路关闭；
(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a抬起，高压甲醇进入甲醇燃料通道；
(9)针阀电极在高压甲醇的作用下抬起，甲醇燃料通道、压力室喷孔与发动机燃烧室构成通路，甲醇从喷孔喷出；
(10)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+1个循环时，电源将以U+ΔU1的电压放电；
(11)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；
(12)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU；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。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：采用介质阻挡放电激励的方式对甲醇-天然气发动机双燃料喷嘴中的主要燃料天然气进行电离，能够利用非平衡等离子体气动效应改善天然气的分布范围、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，当本方案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。而且，本发明将针阀传统的往复运动部分的改变为旋转运动，能够有效的降低针阀的冲击，提高可靠性。
附图说明
图1为本申请中双燃料喷嘴剖视图；
图2为天然气喷射及电离过程示意图；
图3为甲醇喷射过程示意图；
图4为实施例2中控制方法示意图。
图中序号说明：1-电磁阀a，2-电磁阀b，3-电磁阀c，4-喷嘴体，41-甲醇燃料通道，42-天然气燃料通道，43-压力室，44-喷孔， 5-针阀电极，51-甲醇槽，52-天然气槽，6-绝缘针阀。
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，本实施例提供一种双燃料喷嘴，包括喷嘴体，电磁阀，针阀电极，绝缘针阀。所述电磁阀一共有三个，其中电磁阀a 及电磁阀c分别用于控制甲醇及天然气的燃料供给，电磁阀b用于控制针阀电极5的抬起及落座；所述喷嘴体4是主要结构，用于承载其他各部件及结构，并实现燃料喷射，同时充当接地电极；在所述喷嘴体4上加工有甲醇燃料通道41及天然气燃料通道42；所述甲醇燃料通道41用于引入甲醇，所述天然气燃料通道42用于引入天然气；所述针阀电极5由金属材料制成，有三个作用，第一个作用是通过旋转运动实现天然气燃料通路的开启及闭合的控制，第二个作用是通过往复运动实现甲醇燃料通路的开启及闭合的控制，第三个作用是充当高压电极、实现针阀电极5-接地电极之间的介质阻挡放电；在所述针阀电极5的最下端加工有甲醇槽51和天然气槽52，分别用来实现甲醇及天然气的喷射，而且甲醇槽51、天然气槽52及压力室43所构成的空间在放电时构成放电空间；所述绝缘针阀6由绝缘材料制成，有两个作用，第一个作用是充当介质层，用于实现针阀电极5-接地电极之间的介质阻挡放电，第二个作用是实现针阀电极5与喷嘴体4 之间的绝缘。
实施例2
工作时，电磁阀c首先抬起，天然气进入天然气燃料通道42，随即针阀电极5旋转一个角度、使天然气燃料通道42与天然气槽52 连通，天然气进入天然气槽52、甲醇槽51、压力室43构成的电离空间，随即针阀电极5放电，电离空间内的天然气在电场作用下形成等离子体、并经喷孔44喷入燃烧室。随后，电磁阀a抬起，高压甲醇进入甲醇燃料通道41，此时针阀电极抬起，甲醇燃料通道41与甲醇槽51连通，高压甲醇进入压力室43，并经过喷孔44喷入燃烧室，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，因此极易被甲醇引燃，燃烧开始。
如果针阀电极5不通电，则本方案可作为常规的甲醇-天然气双燃料喷嘴使用。
该方案的控制策略是：
(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c 输出抬起指令。此时记为时间原点t。
(2)电磁阀c抬起，天然气经燃料供给系统管路进入天然气燃料通道42。
(3)以时间原点t为起始点，在经过标定的Δt1时间间隔后(Δ t1为从时间原点t算起，到天然气即将进入电离空间的时间)，ECU 发出指令，针阀电极5在电磁阀b的作用下旋转换一个角度，使天然气燃料通道42与天然气槽52连通，天然气进入电离空间。
(4)针阀电极5旋转的同时，电源给针阀电极5以较高电压U(例如：15～20kV)供电。
(5)针阀电极5、绝缘针阀6、喷嘴体4之间开始介质阻挡放电(此时天然气刚好充满电离空间)，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。随即电离后的天然气经喷孔44 喷出、进入燃烧室。
(6)以t+Δt1记为时间原点，经过标定的Δt2时间后(Δt2为从放电伊始至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c关闭，天然气停止供气。
(7)以t+Δt1+Δt2记为时间原点，在经过标定的Δt3时间后(Δ t3为从电磁阀c关闭伊始、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b推动针阀电极5回转，天然气槽52与天然气燃料通道42的通路关闭。
(8)以t+Δt1+Δt2+Δt3记为时间原点，在经过标定的Δt4时间后(Δt4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a抬起，高压甲醇进入甲醇燃料通道41。
(9)针阀电极5在高压甲醇的作用下抬起，甲醇燃料通道41、压力室43、喷孔44与发动机燃烧室构成通路，甲醇从喷孔44喷出。
(10)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。
(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+2个循环时，电源将以U+ΔU2的电压放电，ΔU2>ΔU1。
(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ECU终止电源供电，并输出喷嘴工作异常信息。
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 (4)
1.一种双燃料喷嘴，其特征在于，包括喷嘴体和针阀电极，所述喷嘴体中设有容置腔，所述针阀电极包括相连的电极接头和电极杆，所述电极杆位于容置腔中，在电极杆与容置腔之间设有绝缘针阀；在电极杆底部一侧设有燃料槽a，在电极杆底部另一侧设有燃料槽b；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燃料槽b相连，第二燃料通道的另一端与位于喷嘴体顶部的电磁阀c相连，在电磁阀a与电磁阀c之间设有电磁阀b，所述电磁阀b与电极接头相连；在喷嘴体底部设有与外界连通的喷孔，所述喷孔与压力室相连，所述压力室位于燃料槽a与燃料槽b下面；
所述针阀电极由金属材料制成，有三个作用，第一个作用是通过旋转运动实现天然气燃料通道的开启及闭合的控制，第二个作用是通过往复运动实现甲醇燃料通道的开启及闭合的控制，第三个作用是充当高压电极、实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电；
燃料槽a、燃料槽b及压力室所构成的空间在放电时构成放电空间；
所述绝缘针阀由绝缘材料制成，有两个作用，第一个作用是充当介质层，用于实现针阀电极与接地电极之间的介质阻挡放电，第二个作用是实现针阀电极与喷嘴体之间的绝缘。
2.根据权利要求1所述一种双燃料喷嘴，其特征在于，第一燃料通道为甲醇燃料通道，第二燃料通道为天然气燃料通道，燃料槽a为甲醇槽，燃料槽b为天然气槽。
3.根据权利要求2所述一种双燃料喷嘴，其特征在于，所述甲醇燃料通道用于引入甲醇，所述天然气燃料通道用于引入天然气。
4.一种如权利要求1所述双燃料喷嘴的使用方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(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c输出抬起指令，此时记为时间原点t；
(2)电磁阀c抬起，天然气经燃料供给系统管路进入天然气燃料通道；
(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，针阀电极在电磁阀b的作用下旋转换一个角度，使天然气燃料通道与天然气槽连通，天然气进入电离空间；
(4)针阀电极旋转的同时，电源给针阀电极5以较高电压U供电；
(5)针阀电极、绝缘针阀、喷嘴体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，随即电离后的天然气经喷孔喷出、进入燃烧室；
(6)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关闭，天然气停止供气；
(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推动针阀电极回转，天然气槽与天然气燃料通道的通路关闭；
(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a抬起，高压甲醇进入甲醇燃料通道；
(9)针阀电极在高压甲醇的作用下抬起，甲醇燃料通道、压力室喷孔与发动机燃烧室构成通路，甲醇从喷孔喷出；
(10)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+1个循环时，电源将以U+ΔU1的电压放电；
(11)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；
(12)缸压传感器采集缸压信号p，并传递给ECU；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。
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