超雾化氨燃料喷射器的制作方法

1.本发明涉及的是一种氨燃料发动机，具体地说是氨燃料发动机的喷射器。


背景技术：

2.每年大约54％的一氧化碳、28％的碳氢化合物和41％的氮氧化物排放污染均来自船舶。无碳化的船舶能量管理在改善船舶排放，以及海外贸易、经济发展有重大意义。在除碳技术并不成熟的今天，开发无碳或者低碳的清洁能源是必要途径。
3.氨燃料作为无碳燃料的代表，将成为无碳化的解决方案之一。作为氢的良载体，易于储存，不容易发生爆炸事故，作为发动机的燃料可采用掺混引燃的方式弥补着火困难的问题，成为了未来低碳燃料发展的重要方向。但由于氨燃料的物性十分不稳定，同时氨气作为单一燃料燃烧，其自着火温度高，热值低，火焰传播速度低等问题很大程度上影响了其在发动机上的应用。使其现有的燃料喷射器难以满足氨燃料物性多变、高压直喷的需求。也不能实现共轨喷油器特有的多次喷射精准控制的优点，限制了氨燃料的应用。本发明在此背景下，针对氨燃料喷射设计了高响应高雾化水平的燃料喷射器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供为氨等低碳燃料提供了可实施路径的超雾化氨燃料喷射器。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明超雾化氨燃料喷射器，其特征是：包括喷油器体、增压模块、蓄压谐振限流模块、超磁滞电磁控制执行器、相变可控超雾化喷嘴模块，喷油器体上设置单向进氨口，增压模块、蓄压谐振限流模块、超磁滞电磁控制执行器位于喷油器体里，并自上而下依次设置，相变可控超雾化喷嘴模块位于超磁滞电磁控制执行器下方。
7.本发明还可以包括：
8.1、所述增压模块包括磁轭、主副磁极、增压活塞、衔铁、限位块、双密封阀杆、上阀杆座、下阀杆座，衔铁套于双密封阀杆顶部，磁轭与衔铁之间设置复位弹簧，复位弹簧外侧设置主副磁极，主副磁极缠绕线圈，双密封阀杆的中部位于上阀杆座里，双密封阀杆的底部位于下阀杆座里，双密封阀杆的中部套有阀杆复位弹簧，双密封阀杆的中部与底部之间设置双密封凸起，上阀杆座、下阀杆座与双密封阀杆对应的面上均设置密封面，增压活塞位于下阀杆座下方，增压活塞外部套有增压活塞复位弹簧，上阀杆座里设置相通的回氨通道和中间管路，下阀杆座里设置进氨通道，下阀杆座里双密封凸起所在空间为连通空间，连通空间与中间管路相通。
9.2、所述蓄压谐振限流模块包括谐振块、中间块、棱形密封块、限流活塞、阀座，增压活塞下方的喷油器体里设置蓄压腔，喷油器体上设置液冷管入口，液冷管入口连通蓄压腔，蓄压腔下方依次设置谐振块、中间块、菱形密封块、阀座，阀座里设置限流活塞，中间块里设置中间块复位弹簧，中间块的底部分别设置进油孔和谐振块进氨路节流孔，菱形密封块位
于限流活塞之上，限流活塞里设置中间孔，限流活塞下方设置限流活塞复位弹簧，限流活塞复位弹簧下方设置储存腔。
10.3、所述谐振块里分别设置一号进氨路、二号进氨路、一号进氨腔、二号进氨腔、一号出氨路、二号出氨路，一号进氨腔分别连通一号进氨路和一号出氨路，二号进氨腔分别连通二号进氨路和二号出氨路，一号进氨腔与二号进氨腔通过连通孔相通，一号进氨腔通过一号进氨节流孔连通一号进氨路，一号进氨腔通过二号进氨节流孔连通蓄压腔。
11.4、所述超磁滞电磁控制执行器包括主副磁极、磁滞座、上阀杆、下端锥阀、菌状阀，主副磁极里缠绕线圈，主副磁极的通孔里设置超磁滞材料，超磁滞材料的下方依次设置磁滞座、上阀杆、下端锥阀、菌状阀，菌状阀位于菌状阀腔里，菌状阀下方设置菌状阀复位弹簧，超磁滞电磁控制执行器所在的喷油器体里设置进氨管路、回油油路、进油油路，回油油路连通菌状阀腔，下端锥阀外部的下端锥阀壳里设置锥阀进氨孔和锥阀进油孔，锥阀进氨孔连通进氨管路，锥阀进油孔连通进油油路。
12.5、所述相变可控超雾化喷嘴模块包括喷嘴体、阀座、无静态泄漏缸、针阀体、控制阀杆，阀座位于喷嘴体里，无静态泄漏缸和针阀体位于阀座里，针阀体的头部位于无静态泄漏缸里，针阀体的中部与无静态泄漏缸之间设置针阀体复位弹簧，无静态泄漏缸、针阀体与阀座之间形成储氨腔，阀座与喷嘴体之间形成液冷工质入口管路和液冷工质出口管路，针阀体底部与阀座底部形成喷射流道，储氨腔与储存腔相通，针阀体顶端与其上方的喷油器体之间形成控制腔，控制腔与进油油路相通。
13.6、当采用无增压模式工作时，增压模块不通电，进氨通道密封氨燃料通过单向进氨口后储存在蓄压腔中，限流活塞和棱形密封块整体向下位移，当超磁滞电磁控制执行器通电时，超磁滞材料伸长，磁滞座压迫上阀杆向下运动，使上阀杆和下端锥阀形成的阀杆中间腔的压力升高，下端锥阀受到压力作用向下运动，进而菌状阀克服菌状阀复位弹簧的弹力向下运动，此时下端锥阀下端的锥面密闭，使进氨管路被切断，同时菌状阀上部的锥面密封打开，控制腔内的燃料通过低压泄油孔流回到油箱内，当控制腔内的压力和针阀体复位弹簧的弹力形成的合力小于储氨腔内向上的液压力时，针阀体向上抬起，喷射流道打开，当超磁滞电磁控制执行器断电时，超磁致材料缩短，上阀杆在弹簧力作用下落座，打开进氨管路，当控制腔内的压力和针阀体复位弹簧的弹力形成的合力大于储氨腔内向上的液压力时，针阀体重新落座，限流活塞和棱形密封块整体恢复到初始位置。
14.7、当采用增压模式工作时，增压模块通电，主副磁极形成电磁力，吸引衔铁向上运动，同时带动双密封阀杆向上运动，打开进氨通道，关闭回氨通道，增压活塞向下运动，增压后的液氨供入储存腔，当超磁滞电磁控制执行器通电时，超磁滞材料伸长，磁滞座压迫上阀杆向下运动，进而菌状阀克服菌状阀复位弹簧的弹力向下运动，此时下端锥阀下端的锥面密闭，使进氨管路被切断，同时菌状阀上部的锥面密封打开，控制腔与回油油道相连通，控制腔内的燃料通过回油油道流回到油箱内，当控制腔内的压力和针阀体复位弹簧的弹力形成的合力小于储氨腔内向上的液压力时，针阀体向上抬起，喷射流道打开，当蓄压谐振限流模块断电时，超磁滞材料缩短，上阀杆在弹簧力作用下落座，控制腔通过进油油路重新建压，当控制腔内的压力和针阀体复位弹簧的弹力形成的合力大于储氨腔内向上的液压力时，针阀体重新落座。
15.本发明的优势在于：
16.1、本发明通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控；
17.2、由超磁致电磁控制执行器和超雾化喷嘴模块配合喷入气缸，实现氨燃料高压液态喷入气缸中，实现充分燃烧；
18.3、喷射过程结合热管理设计，从压力和温度两方面调节，控制氨燃料的相变转换；
19.4、采用双阀控制的形式，实现液氨喷射过程循环可变，使喷射量、喷射定时更加精准、灵活；
20.5、采用谐振块调整系统内压力波动，通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控。同时设计了流量限制器，防止异常喷射的发生。
附图说明
21.图1为本发明的结构示意图；
22.图2为增压模块结构示意图；
23.图3为蓄压腔热管理模块结构示意图；
24.图4为谐振块结构示意图；
25.图5为超磁致电磁控制执行器结构示意图；
26.图6为相变可控超雾化喷嘴模块结构示意图；
27.图7为相变可控超雾化喷嘴模块三维剖面结构示意图；
28.图8为相变可控超雾化喷嘴模块三维整体结构示意图。
具体实施方式
29.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
30.结合图1-8，图1为本发明整体结构示意图，超雾化氨燃料喷射器，包括单向进氨口1、增压模块2、喷油器体3、蓄压腔热管理模块4、蓄压谐振限流模块5、进氨管路6、超磁致电磁控制执行器7、喷嘴热管理模块8及相变可控超雾化喷嘴模块9。实现氨燃料高压液态喷入气缸中，实现充分燃烧。同时，喷射过程结合热管理设计，从压力和温度两方面调节，控制氨燃料的相变转换。采用双阀控制的形式，实现液氨喷射过程循环可变，使喷射量、喷射定时更加精准、灵活。
31.图2为喷射器增压模块详细示意图，增压模块包括：磁轭10、复位弹簧11、主副磁极12、线圈13、回氨通道14、增压活塞上表面15、中间腔16、增压活塞复位弹簧17、衔铁18、限位块19、阀杆复位弹簧20、双密封阀杆21、进氨通道22、中间管路23以及增压活塞下表面构成。本模块可采用两种控制方式，一种为液氨增压液氨的形式，另一种为柴油增压液氨的形式。
32.图3为蓄压谐振限流模块示意图，主要包括：蓄压腔25、液冷管入口26、谐振块27、中间块28、复位弹簧29、进油孔30、棱形密封块31、限流活塞32、进氨道33、储存腔34、谐振块进氨路35、中间腔36、谐振块进氨路节流孔37、阀座38、中间孔39和复位弹簧40。该模块保证氨燃料的稳定性，采用谐振块调整系统内压力波动，同时设计了流量限制器，防止异常喷射的发生。
33.图4为谐振块27示意图，主要包括：一号进氨路41、一号进氨节流孔42、二号进氨节
流孔43、一号进氨腔44、一号出氨路45、二号进氨路46、二号进氨腔47、连通孔48以及二号出氨路49。
34.图5为超磁致电磁控制执行器示意图，主要包括：主副磁极50、线圈51、磁滞座52、上阀杆53、复位弹簧54、阀杆中间腔55、缓冲腔56、进回油孔57、复位弹簧58、超磁滞材料59、限位块60、进油油路61、回油油路62、下端锥阀63、菌状阀64以及回油油道65；
35.图6为相变可控超雾化喷嘴模块示意图，主要包括：进氨管路66、储氨腔67、无静态泄漏缸68、复位弹簧69、垫片70、液冷工质入口管路71、阀座72、控制腔73、控制阀杆上端面74、液冷工质出口管路75、针阀体76、针阀密封面77、喷射流道78以及喷嘴体79组成。
36.液态氨燃料由单向进氨口1进入蓄压腔25中，单向进氨口1起到单向阀的作用。当液氨供给压力大于单向阀的弹簧预紧力时，锥阀克服弹簧力开启，液氨供入蓄压腔内。当单向进氨口1压力较小时，锥阀再次关闭，也为系统内液氨起到密封作用。燃料进入蓄压腔25后，经由谐振块27向下供给。由图4可知，谐振块27由三个管路41、43和46组成。燃料分别从三个管路流入限流器内，一号进氨路41为主流道，中间流过一号进氨节流孔42，对液氨流动起到滤波的作用，随后流入一号进氨腔44中。二号进氨路46为负流道，中间未设置节流孔，通过二号进氨腔47和二号出氨路49后，直接流入限流器。而二号进氨节流孔43和连通孔48是实现谐振的主要结构，通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控。特别是在增压模式下，保证系统的稳定性。限流阀组件通过蓄压腔25设置在喷油器体3内部。中间块28不仅对整体限流阀组件起到了限位作用，而且与复位弹簧29进行配合，一方面作为复位弹簧29的弹簧座，另一方面限制了限流活塞的最大位移。在阻尼弹簧和球阀复位弹簧的弹簧预紧力作用下，棱形密封块31和限流活塞32的下端面和支撑控制阀座38的上端面配合。阀座38在复位弹簧的弹簧力作用下，被压紧在底部，其上部变截面处形成棱形密封块的落座面。液氨由谐振块流入到中间腔36中，分别通过进油孔30和谐振块进氨路节流孔37流道限流阀中。受液压力的作用，随着液氨供给，棱形密封块31克服弹簧力向下运动。当燃料供给量高于限制值时，棱形密封块31与阀座38配合实现密封，断开燃料供给，避免拉缸。当燃料供给中断后，受弹簧力作用棱形密封块31快速复位。
37.经过限流器，液氨由进氨道33供入储氨腔67中，由超磁致电磁控制执行器和超雾化喷嘴模块配合喷入气缸。在本发明中，为了保证燃料喷射器控制的精准性，采用柴油作为伺服油，通过调整控制腔内压力水平，改变针阀上下受力，从而控制喷射定时。高压柴油由进油油路61流入电磁执行器，当未通电时，受到弹簧预紧力54、58的作用，菌状阀64处于密封状态，使电磁执行器管路与回油管路断开。下端锥阀63处于开通状态，柴油由进油油路61，经过下端锥阀63流道，向控制腔73供给。其中通过进回油孔57和缓冲腔56，缓冲腔的存在一方面减少了控制阀处燃油压力波动，另一方面通过高压接触面结构压差，实现泄漏燃油的收集。燃油向下流进控制腔73中，被无静态泄漏缸68和针阀体76实现密封、通过调控控制室内的压力，改变针阀上下受力差，实现燃料喷射的精准控制。具体喷射过程的工作原理如下：
38.当采用无增压模式工作时，增压控制阀部分5不通电，由于此时增压活塞各个作用面的压力平衡，受到弹簧预紧力11、20的作用衔铁18及双密封阀杆21处于压紧状态，进油油路22密封。此时增压模块中没有燃料供给，增压活塞在弹簧预紧力作用下处于复位状态，没
有增压功能。因此系统内的氨燃料通过单向进氨口1后储存在蓄压腔25中，经过谐振腔27流入限流阀内。由于谐振块27对液氨的节流作用，使得限流活塞32内的活塞盲孔39和蓄压腔25内的燃料压力升高，与过渡油腔内压力形成压差，故限流活塞32和棱形密封块31整体向下位移，对喷射的压力进行了一定的补偿。经过限流阀的液氨由管道33供入储氨腔67中。当超磁致电磁控制执行器7通电时，受到磁场的影响，超磁致材料59伸长，磁滞座52压迫上阀杆53向下运动，使上阀杆53和下端锥阀63形成的阀杆中间腔55的压力升高，下端锥阀63受到压力作用向下运动，进而菌状阀64克服复位弹簧58的弹力向下运动。此时下端锥阀63下端的锥面密闭，使进氨管路61被切断，同时菌状阀64上部的锥面密封打开，控制腔73与低压泄漏孔57相连通，控制腔73内的燃料通过低压泄油孔57流回到油箱内。当控制腔73内的压力和针阀弹簧69的弹力形成的合力小于储氨腔67内向上的液压力时，针阀56向上抬起，喷孔78打开，喷射器开始喷氨。当喷氨控制阀部分7断电时，失去磁场影响，超磁致材料59缩短，阀杆53在弹簧力作用下落座，在将低压泄漏孔62关闭的同时打开进氨管路61，控制腔73通过进回油孔57重新建压，当控制腔73内的压力和针阀弹簧69的弹力形成的合力大于储氨腔67内向上的液压力时，针阀76重新落座，喷射器停止喷射。而当喷射器停止工作时，随着液氨流过中间孔39，限流活塞32上下表面的压差会逐渐减小，在复位弹簧的作用下，限流活塞32和棱形密封块31整体又恢复到初始位置。
39.当采用增压模式工作时，增压控制阀部分5通电，线圈13通电，主副磁极12形成电磁力，吸引衔铁18向上运动，同时带动双密封阀杆21向上运动，打开进氨通道22，关闭回氨通道14。液氨聚集在增压活塞上表面15，增加上表面受力，是上下压力差克服弹簧力，导致增压活塞向下运动。使下方蓄压腔内容积压缩，压力提高。增压模块和超磁致电磁控制执行器均可采用两种控制方式，一种为液氨增压液氨的形式，另一种为柴油增压液氨的形式。在增压模块中，中间腔16可作为增压油泄漏收集腔，同时燃油可以对液氨起到密封的作用。增压后的液氨经过谐振腔27流入限流阀内。经过限流阀的液氨由管道33供入储氨腔67中。当超磁致电磁控制执行器7通电时，超磁致材料59伸长，磁滞座52压迫上阀杆53向下运动，进而菌状阀64克服复位弹簧58的弹力向下运动。此时下端锥阀63下端的锥面密闭，使进氨管路61被切断，同时菌状阀64上部的锥面密封打开，控制腔73与低压泄漏孔57相连通，控制腔73内的燃料通过低压泄油孔57流回到油箱内。当控制腔73内的压力和针阀弹簧69的弹力形成的合力小于储氨腔67内向上的液压力时，针阀56向上抬起，喷孔78打开，喷射器开始喷氨。在增压模式下，燃料喷射的喷射压力及喷射速率受增压方式的影响，可实现循环间喷射可控。当喷氨控制阀部分7断电时，失去磁场影响，超磁致材料59缩短，阀杆53在弹簧力作用下落座，控制腔73通过进回油孔57重新建压，当控制腔73内的压力和针阀弹簧69的弹力形成的合力大于储氨腔67内向上的液压力时，针阀76重新落座，喷射器停止喷射。
40.在蓄压谐振限流模块5和超雾化喷嘴模块9设计热管理模块，包括冷媒的入口26、71和出口4、75。通过温度和压力两方面综合控制液氨相态，实现喷射过程液氨相态可控。
41.图7、8为所设计的超雾化喷嘴，整体设计采用内锥结构，实现多层密封。同时，近百个喷孔喷射，从结构角度保障了燃料的充分雾化。使燃料与空气充分融合，完全燃烧。
42.由上述描述可知，本发明通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控。实现氨燃料高压液态喷入气缸中，实现充分燃烧。同时，喷射过程结合热管理设计，从压力和温度两方面调节，控制氨燃料的相变转换。
采用双阀控制的形式，实现液氨喷射过程循环可变，使喷射量、喷射定时更加精准、灵活。本发明可采用两种控制方式，一种为液氨增压液氨的形式，另一种为柴油增压液氨的形式。在增压模式下，燃料喷射的喷射压力及喷射速率受增压方式的影响，可实现循环间喷射可控。采用谐振块调整系统内压力波动，通过改变压力波波动的相位，调整波动频率，以及波峰、波谷的对应关系，实现压力波耦合过程的可控。同时设计了流量限制器，防止异常喷射的发生。