CN110939499A - 一种碳氢喷嘴及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种碳氢喷嘴，包括电磁驱动装置、柱塞泵组件、外开式喷嘴，所述电磁驱动装置包括一个音圈电机和一个储能装置，所述柱塞泵组件包括套筒，柱塞，输入阀，输出阀，套筒内孔与柱塞外表面滑动配合，所述套筒、柱塞、输入阀以及输出阀围成一个压送容积，其特征在于：所述压送容积在音圈电机及储能装置的作用下使得容积大小交替变化，以实现碳氢燃料高压输出，所述外开喷嘴为一个外开式提升阀，包括一个带旋流槽的喷嘴阀杆，使碳氢燃料在喷嘴内部产生旋流后雾化喷出，同时旋转流体的反作用力矩作用到喷嘴杆上使其缓慢旋转，以防止阀件卡滞。
Description
技术领域
本发明属于发动机排放控制领域，具体涉及发动机排气过滤器(DPF)的燃烧再生系统。
背景技术
柴油发动机以其高热效率和低二氧化碳排放量而成为当今世界极为重要的原动力装置，广泛应用于道路及非道路车辆、工程机械、固定动力设备等。缸内直喷增压汽油机也因为比传统的汽油机高的热效率和比功率，在车用发动机中越来越普及。然而，柴油机和缸内直喷汽油机燃烧伴随产生能够严重污染大气环境危害生物健康的多种污染物质，包括氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)、碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)等。随着环境问题的日益突出，节能减排已经成为发动机行业最为重要的主题，世界许多国家都推出一系列的发动机及车辆排放标准，并且越来越严苛。对此，以内燃机为动力的车辆需要更好的燃烧控制，并且安装排放后处理系统以求满足越来越严格的排放要求。
其中，排气后处理包括在排气管路中设置各种催化转化器和捕捉器，以柴油机颗粒物过滤器(DPF＝Diesel Particulate Filter)为例，DPF系统是用陶瓷或者金属载体将碳烟过滤以免排放到大气中，但随着碳烟坦言颗粒物在过滤载体中的积累，发动机的排气背压不断地上升，这时需要将燃油雾化喷入排气系统，让排气温度升高，将积累的碳烟烧掉，从而完成颗粒物过滤器(DPF)的再生。在此过程中燃油喷射计量精度需要严格的控制，如喷射不足可能导致再生无法完成，若喷射过量可能导致温度过高从而烧毁DPF过滤载体。
在现有的技术中，有两种主要的喷射计量技术路线。一条技术路线是供液泵系统仅仅提供一个恒定的压力，喷射量依靠电磁喷嘴的开启时间长短进行计量，例如汽油和柴油的共轨系统，以及德国博世出售的DENOXTRONIC 2.2等尿素喷射装置；另一种是采用螺线管装置驱动的柱塞泵计量装置，这是依靠柱塞的位移量计量每个脉冲的喷射量。对于后者，美国专利(专利号：US20150082775A)公开了一种计量装置，即：一种螺线管驱动的柱塞泵，柱塞套与螺线管固定，柱塞固定在电枢上，在一个T型空间中作固定行程的往复运动，单次脉冲的喷射量则由柱塞的运动行程决定。所述计量装置的缺点在于：柱塞与电枢头尾相接，轴向尺寸较长，运动质量较大，如果完全依靠柱塞-套筒的配合提供摩擦付，则运动件的重心将在支撑摩擦付之外，运动惯性将会影响耐久性；若在弹簧相对套筒的另一端布置一个柱塞的滑动支撑(即所述磁力套筒，MAGNET SLEEVE 67)，或者布置一个电枢的滑动支撑，则需要严格控制套筒与滑动支撑的同轴度，制造难度较大，尤其是在柱塞的滑动支撑与弹簧之间，需要额外布置一个弹簧座(snap ring 68)，弹簧座的安装工艺也是比较复杂的。除此之外，由于运动部件质量和摩擦力相对较大，将会限制柱塞往复运动的频率。
此外，燃油的雾化程度也直接决定着排气处理的效果。现有的喷射计量系统采用的以直流电机驱动的外置膜片或者柱塞泵为动力源产生喷射压力的装置，或直接将DEF 液喷入发动机排气管，或喷入一个混合腔，依靠高压气流与DEF混合增压后再喷入发动机排气管。然而，实际喷射产生的雾化效果较差，且高压空气源的提供本身是个问题。常用的改进为将喷嘴设计为多孔且喷孔非常细小，例如直径小于0.2mm的喷孔，这样喷孔容易受DEF析出结晶体或者排气颗粒的堵塞，系统可靠性难以保证。
综上，考虑到排气后处理装置的计量精度、喷射效果等的需求，提出一种雾化效果好、计量精度高且不增加成本的新技术方案是十分有必要。
发明内容
本发明针对上述问题，之目的在于提供一种控制精度高，雾化效果好，适应性强的喷射装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案，一种碳氢喷嘴包括电磁驱动装置、柱塞泵组件、外开式喷嘴。
所述电磁驱动装置包括一个音圈电机和一个储能装置，所述音圈电机包括一个运动部和一个静止部，静止部与运动部同轴布置。运动部包括线圈骨架和线圈，所述静止部包括一个大致柱状的磁堆、一个软磁体外壳和一个压盖。所述磁堆包括第一软磁体和第一永磁体，第一永磁体沿轴向充磁，可使运动部相对于静止部做轴向滑动。所述音圈电机由驱动电流控制将电能转化为交替变化的双向驱动力，以驱动运动部往复运动。所述软磁体外壳与压盖配合形成封装，两者之间由密封圈密封并通过卡扣锁紧，或者两者也可口用过焊接的方式连接。所述储能装置包括至少一个位于运动部和静止部之间的储能弹簧，也可以采用具有一定容积的液压油腔储能。
所述柱塞泵组件包括套筒、柱塞、输入阀以及输出阀。所述套筒包括一个轴向通孔，套筒之通孔与柱塞外表面滑动配合，所述套筒、柱塞、输入阀和输出阀共同围成一个压送容积。所述输入阀布置于套筒一端，包括输入阀座、输入阀球以及输入阀簧，输入阀座可直接设计于套筒上。输出阀设计于柱塞一端，包括输出阀座、输出阀球以及输出阀簧。所述套筒与运动部相连并保持同步运动，两者可通过一个回位弹簧压紧。
所述外开式喷嘴为一个外开式提升阀，包括一个带锥形座面的喷嘴阀体、一个带锥面的喷嘴阀杆、一个喷嘴阀簧。所述喷嘴阀体与喷嘴阀杆组成耦合密封件，由于喷嘴阀簧力作用外开喷嘴在非工作状态时常闭。所述喷嘴阀杆包括一个旋流槽，使碳氢燃料在喷嘴内部产生旋流后雾化喷出，同时旋转流体的反作用力矩作用到喷嘴杆上使其缓慢旋转，以防止阀件卡滞。所述外开喷嘴布置于柱塞泵之输出端，可以通过焊接方式与柱塞泵连接或者通过压板压装于柱塞泵值输出端，通过压装方式更有利于外开喷嘴的定期更换，提高总成的实用寿命。
所述碳氢喷嘴还包括一个进液嘴和一个回液嘴。所述进液嘴设置于压盖上，连接外部回液管，进液嘴以有利于排气泡的方式设计，所述回液嘴布置于软磁体外壳上，连接外部进液管。
上述碳氢喷嘴之工作过程包括，从进液嘴流入的液体通过进液阀进入并充满柱塞泵内部容积腔，在压送行程时，运动部在正向驱动电流和储能弹簧作用下，带动套筒往压送容积变小方向运动，使得压送容积内部压力升高，至出液阀打开，高压液体输出至外开喷嘴，由外开喷嘴雾化喷出。在此过程中，部分工作液体及所产生的气体通过回液嘴排出。在回位行程时，运动部受反向电流作用，往回运动，套筒由于回位弹簧力而始终与运动部贴紧，导致压送容积之体积变大，内部压力减小，出液阀关闭，当运动至行程末端时，进液阀打开，液体进入容积进行补充。在此过程中，储能装置吸收来自运动部的能量，为下一次压送液体做好准备。
对于上述碳氢喷嘴的进一步优化结构为，所述线圈骨架将线圈分割为绕向相反的两部分，由此所产生的第二线圈的增加可以进一步增强电磁力和减少线圈的发热。所述磁堆包括第二软磁体和第二永磁体，所述第二永磁体与第一软磁体相邻，第二永磁体轴向充磁，其极性与第一永磁体相反，以增加运动部行程范围内的驱动力。
此外，所述柱塞泵还包括一个限位机构，所述限位机构包括第一限位台和第二限位台，所述第一限位台和第二限位台分别布置于套筒的往返运动行程上，使得所述压送容积的变化值为一个定值，从而实现通过机械结构控制单次行程的燃料输出量。所述第一限位台布置于输入阀一端，包括一个凸起部，所述凸起部作用于输入阀之阀件，确保输入阀在进液状态时处于打开状态。
进一步，所述碳氢喷嘴包括一个过滤装置，所述过滤装置布置于外开喷嘴前端。液体经过滤后进入外开喷嘴，以提高喷嘴实用寿命。
对应上述碳氢喷嘴，可应用于DPF排气处理装置。所述DPF排气处理装置包括一个喷量控制单元(DCU)、燃料箱、一个带DPF装置的排气管，一个喷嘴安装台，一个压差传感器和至少一个温度传感器，所述燃料箱包括一个位于底部的出液口和一个位于上部空间的回液口，所述出液口通过进液管连接碳氢喷嘴之进液嘴，所述回液口通过回液管连接碳氢喷嘴之回液口，燃料液因自身重力进入碳氢喷嘴，所述碳氢喷嘴布置于DPF装置上游，经外开喷嘴喷射之雾化燃料与排气混合后进入DPF装置，进行尾气处理。
下面结合附图和实施例的技术方案对本发明作进一步的限定或优化。
附图说明
图1为本发明提供的碳氢喷嘴之实施例结构示意图之一。
图2为本发明提供的碳氢喷嘴之实施例结构示意图之二。
图3为本发明提供的碳氢喷嘴之实施例结构示意图之三。
图4为本发明提供的外开喷嘴剖视图。
图5为本发明提供的碳氢喷嘴之DPF应用例示意图。
具体实施方式
本发明所提供第一实施例结构示意图如图1所示，一种碳氢喷嘴1包括电磁驱动装置2、柱塞泵组件3、外开式喷嘴4。
所述电磁驱动装置2包括一个音圈电机5和一个储能装置6，所述音圈电机5包括一个运动部8和一个静止部7，静止部7与运动部8同轴布置。运动部8包括线圈骨架 100和线圈103，所述线圈骨架100包括一个挂钩124和一个台阶孔126。静止部7包括一个大致柱状的磁堆10、一个软磁体外壳107和一个压盖122。所述磁堆10包括第一软磁体104和第一永磁体105，第一永磁体105沿轴向充磁。运动部8位于线圈骨架100台阶孔126内，可使运动部8相对于静止部7做轴向滑动。所述音圈电机5由驱动电流控制将电能转化为交替变化的双向驱动力，以驱动运动部8往复运动。所述软磁体外壳107 与压盖122配合形成封装，两者之间由密封圈101密封并通过卡扣125锁紧。所述储能装置6包括一个储能弹簧119和一个回位弹簧102，所述储能弹簧119和回位弹簧102皆位于运动部8和静止部7之间，所述储能弹簧119用于增加压送过程时运动部8所需要的力。
所述柱塞114泵组件3包括套筒120、柱塞114、输入阀11以及输出阀9。所述套筒120包括一个轴向通孔和一个外部台阶，套筒120之通孔与柱塞114外表面滑动配合，所述套筒120、柱塞114、输入阀11和输出阀9共同围成一个压送容积127。所述输入阀 11布置于套筒120一端，包括输入阀座121、输入阀球118以及输入阀簧117，输入阀座121可直接设计于套筒120上。输出阀9设计于柱塞114一端，包括输出阀座113、输出阀球112以及输出阀簧110，所述输出阀簧110之弹簧力通过一个输出阀弹簧座111作用于输出阀球112上，以保证阀件结构稳定性。所述套筒120之外部台阶受线圈骨架100 之挂钩124限位，同时依靠回位弹簧102使两者贴紧相连并保持同步运动。
所述外开式喷嘴4如图4所示为一个外开式提升阀，包括一个带锥孔403的喷嘴阀体400、一个带锥面402的喷嘴阀杆404、一个喷嘴阀簧405和一个喷嘴套108。所述喷嘴阀体400与喷嘴阀杆404组成耦合密封件，并通过两锥面(402、403)配合密封，由于喷嘴阀簧405之弹簧力作用，外开喷嘴4在非工作状态时常闭。所述喷嘴阀杆404 包括一个旋流槽401，使碳氢燃料在喷嘴4内部产生旋流后雾化喷出，同时旋转流体的反作用力矩作用到喷嘴阀杆404上使其缓慢旋转，以防止阀件卡滞。
所述喷嘴套108包括一个安装孔109，所述软磁体外壳107包括一个与所述安装孔过盈配合的安装台108，所述外开喷嘴4压装于软磁体外壳107之安装台108上，并通过焊接方式连接。外开喷嘴4上游布置有过滤装置109，燃料经过滤后进入外开喷嘴4，以提高喷嘴4使用寿命。
所述碳氢喷嘴1还包括一个进液嘴106和一个回液嘴123。所述进液嘴106设置于压盖122上，连接外部回液管(未示出)，进液嘴106以有利于排气泡的方式设计，所述回液嘴123布置于软磁体外壳107上，连接外部进液管(未示出)。
上述碳氢喷嘴1之工作过程如下，碳氢燃料从进液嘴106流入，经过输入阀11进入并充满柱塞泵3内部容积腔。在压送行程时，运动部8在正向驱动电流和储能弹簧119 的共同作用下，带动套筒120往压送容积127变小方向运动，使得压送容积127内部压力升高，至输出阀9打开，高压液体经过过滤装置109输出至外开喷嘴4，由外开喷嘴雾 4化喷出。在此过程中，部分工作液体及所产生的气体通过回液嘴123排出。在回位行程时，运动部8受反向电流作用，往回运动，套筒120由于回位弹簧102之弹簧力而始终与运动部8贴紧，导致压送容积127之体积变大，内部压力减小，输出阀9关闭，当运动至行程末端时，输入阀11打开，液体进入容积进行补充。在此过程中，储能装置6吸收来自运动部8的能量，为下一次压送液体做好准备。
如图2所示为本发明提供碳氢喷嘴1之第二实施例之结构示意图，本实施例与本发明所提供第一实施例之区别之一在于：所述线圈骨架100包括一个凸台200，将线圈 103分割为绕向相反的两部分(103和103a)，由此所产生的第二线圈103a的增加可以进一步增强电磁力和减少线圈(103和103a)的发热。所述磁堆10包括第二软磁体202和第二永磁体201，所述第二永磁体201与第一软磁体104相邻，第二永磁体201轴向充磁，其极性与第一永磁体105相反，以增加运动部8行程范围内的驱动力。所述软磁体外壳 107和一个压盖122通过焊接方式连接进行封装。
本实施与本发明所提供第一实施例之区别之二在于：所述柱塞泵组件3还包括一个限位机构203，所述限位机构203包括第一限位台203a和第二限位台203b，所述第一限位台203a和第二限位台203b分别布置于套筒120的往返运动行程上，使得所述压送容积127的变化值为一个定值，从而实现通过机械结构控制单次行程的燃料输出量，提高喷射精度。
本实施与本发明所提供第一实施例之区别之三在于：所述第一限位台203a布置于输入阀11一端，包括一个凸起部204，所述凸起部204作用于输入阀11之阀件，确保输入阀11在进液状态时处于打开状态。
如图3所示为本发明提供碳氢喷嘴1之第三实施例之结构示意图，本实施例与本发明所提供第一实施例之区别在于：包括一个法兰台阶300，一个压板302。所述法兰台阶300包括换轴向分布的通孔301，所述压板302包括与所述通孔301对应的螺纹孔303 以及喷嘴固定孔305，压板302由限位于通孔301的螺栓304锁紧并由此固定外开喷嘴4。如此，当外开喷嘴4出现异常时可及时更换，以提高产品使用寿命。
如图5所示为本发明提供碳氢喷嘴1之DPF应用例结构示意图，包括一个喷量控制单元(DCU)501、一个燃料箱500、一个带DPF装置504的排气管505，一个喷嘴安装台505a，一个压差传感器502和至少一个温度传感器503。所述燃料箱500包括一个出液口506和一个回液口507，所述出液口506通过进液管508连接碳氢喷嘴1之进液嘴 106，所述回液口507通过回液管509连接碳氢喷嘴1之回液嘴123，碳氢喷嘴1布置于 DPF装置504上游。所述燃料箱500可以是发动机副油箱，也可以是一个装设的DPF燃料箱，其出液口506位于底部，而回液口507位于上部较高位置，燃料液因自身重力进入碳氢喷嘴1，并且可使燃料箱500在储油量少的情况下仍能正常工作。
所述DPF后处理装置之工作过程如下。
来自发动机的碳烟被DPF装置504过滤并在其中逐步积累，随着碳烟积累量的增加，DPF装置504前后的压差△P逐步增大，当控制单元通过压差传感器502检测到△P 大于特定值时(已经或者将要影响发动机的功率输出)，或者控制单元501根据模型预测的捕集碳烟量达到一定阈值之时，如果其他(包括排气温度等)条件也满足再生DPF条件，则控制单元501驱动碳氢喷嘴1向发动机排气管505中喷射雾化燃油，燃油与排气混合后进入DPF装置504，进行尾气处理。温度传感器503实时捕捉排气温度，当温度高于一定值时停止喷射燃油，以免过滤器过热烧损。压差传感器502继续检测DPF装置504 前后的压差△P，当△P小于某一特定值时，认为再生完成，停止再生喷油。再生所需的喷射量可以根据温度传感器503及氧传感器(图中未示出)等传感器信号进行反馈控制。
此外，向碳氢喷嘴1的进油嘴的供油，也可以为添加了助燃剂的柴油，例如含有启燃催化剂的柴油，这种情况下，燃料箱为再生用燃油专用存储箱。
上述碳氢喷嘴1，也可以用于现场定量给燃油添加燃油添加剂，例如向柴油机主燃油中即时定量注入燃油携带性催化剂(FBC)，以降低柴油机颗粒物的启燃温度，或者向 DPF主动再生燃油中即时注入助燃剂来降低再生燃油与发动机排气形成混合气的启燃温度，等等。
上述实施例仅用于说明本发明的实质，但并不限制本发明。在未背离本发明原理的情况下，所作的任何修改，简化等替换方式，都包括在本发明的保护范围之内。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (14)
1.一种碳氢喷嘴，包括电磁驱动装置、柱塞泵组件、外开式喷嘴，所述电磁驱动装置包括一个音圈电机和一个储能装置，所述柱塞泵组件包括套筒、柱塞、输入阀以及输出阀，所述套筒包括一个轴向通孔，所述通孔与柱塞外表面滑动配合，所述套筒、柱塞、输入阀和输出阀共同围成一个压送容积，其特征在于：所述压送容积在音圈电机及储能装置的作用下使得容积大小交替变化，碳氢燃料随之高压输出至碳氢喷嘴，所述外开喷嘴包括一个带旋流槽的喷嘴阀杆，使碳氢燃料在喷嘴内部产生旋流后雾化喷出，同时旋转流体的反作用力矩作用到喷嘴杆上使其缓慢旋转，以防止阀件卡滞。
2.如权利要求1所述碳氢喷嘴，其特征在于：所述音圈电机包括一个运动部和一个静止部，静止部与运动部同轴布置，所述运动部包括线圈骨架和线圈，所述静止部包括一个大致柱状的磁堆、一个软磁体外壳和一个压盖，所述磁堆包括第一软磁体和第一永磁体，第一永磁体沿轴向充磁，所述运动部相对于静止部做轴向滑动。
3.如权利要求2所述碳氢喷嘴，其特征在于：所述线圈骨架将线圈分割为绕向相反的两部分。
4.如权利要求3所述碳氢喷嘴，其特征在于：所述磁堆包括第二软磁体和第二永磁体，所述第二永磁体与第一软磁体相邻，第二永磁体轴向充磁，其极性与第一永磁体相反。
5.如权利要求2或者4所述碳氢喷嘴，其特征在于：所述储能装置包括至少一个位于运动部和静止部之间的储能弹簧。
6.如权利要求5所述的碳氢喷嘴，其特征在于：所述输入阀轴向布置于套筒一端，所述输出阀轴向布置于柱塞一端，所述套筒与所述运动部相连接，在电磁力和储能弹簧力共同作用下，随运动部做轴向无阻力往复运动，使得液体燃料由输入阀进入，经压送容积，从输出阀高压输出至外开喷嘴。
7.如权利要求6所述碳氢喷嘴，其特征在于：所述外开喷嘴为一个外开式提升阀，其结构还包括一个喷嘴阀体，一个喷嘴阀簧，所述喷嘴阀体与喷嘴阀杆组成耦合密封件，由于喷嘴阀簧力作用外开喷嘴在非工作状态时常闭。
8.如权利要求7所述的碳氢喷嘴，其特征在于：所述外开喷嘴通过焊接方式连接于柱塞泵之输出端。
9.如权利要求7所述的碳氢喷嘴，其特征在于：包括一个压板，所述外开喷嘴通过压板压装于柱塞泵之输出端。
10.如权利要求8或者9所述碳氢喷嘴，其特征在于：所述柱塞泵包括一个限位机构，所述限位机构包括第一限位台和第二限位台，所述第一限位台和第二限位台分别布置于套筒的往返运动行程上，使得所述压送容积的变化值为一个定值。
11.如权利要求10所述的碳氢喷嘴，其特征在于：所述第一限位台布置于输入阀一端，包括一个凸起部，所述凸起部作用于输入阀之阀件，确保输入阀在进液状态时处于打开状态。
12.如权利要求11所述碳氢喷嘴，其特征在于：包括一个过滤装置，所述过滤装置布置于外开喷嘴前端。
13.如权利要求12所述碳氢喷嘴，其特征在于：包括一个进液嘴和一个回液嘴，所述回液嘴以有利于排气泡的方式布置。
14.一种DPF排气处理装置，应用如权利要求1-13所述的碳氢喷嘴，其特征在于：包括一个喷量控制单元（DCU）、燃料箱、一个带DPF装置的排气管，一个喷嘴安装台，一个压差传感器和至少一个温度传感器，所述燃料箱包括一个位于底部的出液口和一个位于上部空间的回液口，所述出液口连接碳氢喷嘴之进液嘴，所述回液口连接碳氢喷嘴之回液口，燃料液因自身重力进入碳氢喷嘴，所述碳氢喷嘴布置于DPF装置上游，经外开喷嘴喷射之雾化燃料与排气混合后进入DPF装置。
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