柴油增压-液氨直喷双燃料喷射器的制作方法

1.本发明涉及的是一种喷射器，具体地说是双燃料喷射器。


背景技术：

2.据统计船舶排放占到全球碳排放的3％左右，因此，在2018年4月13号imo通过碳排放减排目标。到2050年，碳排放较2008减少一半，至本世纪末，实现零排放，其中2016年至2022年进行路线预研究，2023年将会基于研究成果对规则进入实质性实施阶段。在技术上可以通过多种方式实现碳排放的降低，但要实现零排放的目标，唯有从燃料着手，从源头，从根本上解决排放问题。因此船舶替代燃料研究成为近年来船舶动力领域的研究热点之一，船舶新型低碳替代燃料的研究及应用，属于船舶行业的变革性技术。
3.氨燃料喷射器的开发是当前突破低碳供给系统的关键。由于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。往往采用柴油引燃的形式，解决纯氨燃料燃烧时的问题。然而一方面当前尚无成熟的氨燃料喷油器，另一方面柴油喷射器和氨燃料喷射器单一的组合会造成能量的浪费，也难以形成共轨系统特有的多次喷射精准控制，喷油速率灵活可控的优点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供能在多宽裕喷射压力下实现燃料充分雾化的柴油增压-液氨直喷双燃料喷射器。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明柴油增压-液氨直喷双燃料喷射器，其特征是：包括喷射器体、液氨喷射部分、柴油喷射部分，液氨喷射部分、柴油喷射部分位于喷射器体里，液氨喷射部分包括自上而下设置的增压模块、第一蓄压谐振限流模块、超磁滞电磁控制执行器、相变可控超雾化喷嘴模块，柴油喷射部分包括自上而下设置的第二蓄压谐振限流模块、副增压模块、压力平衡式电磁控制执行器、针阀偏心自调节喷嘴；所述直接控制式超雾化喷嘴模块包括直接控制针阀体、直接控制阀座、直接控制喷嘴壳，直接控制喷嘴壳里安装直接控制针阀体，直接控制针阀体所在空间形成储氨腔，直接控制阀座位于直接控制喷嘴壳下方，直接控制阀座与直接控制喷嘴壳之间形成喷射流道，直接控制针阀体的下端为直接控制喷嘴体，直接控制喷嘴体通过连接螺栓连接直接控制阀座。
7.本发明还可以包括：
8.1、所述增压模块包括增压磁轭、增压主副磁极、主增压活塞、增压衔铁、增压限位块、增压双密封阀杆、增压上阀杆座、增压下阀杆座，增压衔铁套于增压双密封阀杆顶部，增压磁轭与增压衔铁之间设置增压复位弹簧，增压复位弹簧外侧设置增压主副磁极，增压主副磁极缠绕线圈，增压双密封阀杆的中部位于增压上阀杆座里，增压双密封阀杆的底部位于增压下阀杆座里，增压双密封阀杆的中部套有增压阀杆复位弹簧，增压双密封阀杆的中部与底部之间设置增压双密封凸起，增压上阀杆座、增压下阀杆座与增压双密封阀杆对应
的面上均设置密封面，主增压活塞位于增压下阀杆座下方，主增压活塞外部套有主增压活塞复位弹簧，增压上阀杆座里设置相通的回氨通道，增压下阀杆座里设置进氨通道和中间管路，增压下阀杆座里增压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、所述第一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、蓄压阀座，主增压活塞下方的喷射器体里设置蓄压腔，蓄压腔的侧壁上安装单向进氨口，喷射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、蓄压阀座，蓄压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氨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，一号进氨路和二号进氨路连通蓄压腔。
11.4、所述超磁滞电磁控制执行器包括超磁滞主副磁极、磁滞座、上阀杆、下端锥阀，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；直接控制针阀体的顶端连接超磁滞电磁控制执行器的下端锥阀。
12.5、第二蓄压谐振限流模块的结构与第一蓄压谐振限流模块相同，并列设置在喷射器体里。
13.6、所述副增压模块包括副增压磁轭、副增压主副磁极、副增压活塞、副增压衔铁、副增压限位块、副增压双密封阀杆、副增压上阀杆座、副增压下阀杆座，副增压衔铁套于副增压双密封阀杆顶部，副增压磁轭与副增压衔铁之间设置副增压复位弹簧，副增压复位弹簧外侧设置副增压主副磁极，副增压主副磁极缠绕线圈，副增压双密封阀杆的中部位于副增压上阀杆座里，副增压双密封阀杆的底部位于副增压下阀杆座里，副增压双密封阀杆的中部套有副增压阀杆复位弹簧，副增压双密封阀杆的中部与底部之间设置副增压双密封凸起，副增压上阀杆座、副增压下阀杆座与副增压双密封阀杆对应的面上均设置密封面，副增压活塞位于副增压下阀杆座下方，副增压活塞外部套有副增压活塞复位弹簧，副增压上阀杆座里设置回油管路，下阀杆座里设置副增压油道、副增压连通通道，副增压油道分别连通进油通道和副增压双密封凸起下方，副增压双密封凸起所在空间为连通空间，副增压连通通道分别连通连通空间和副增压活塞上方，进油通道设置密封球，密封球下方设置密封球复位弹簧，副增压活塞下方为增压油管路，增压油管路连通密封球复位弹簧下方的进油通道。
14.7、所述压力平衡式电磁控制执行器包括压控式主副磁极、压控式衔铁、平衡阀杆，平衡阀杆的上部设置于压控式主副磁极里，平衡阀杆的下部位于压控式衔铁里，压控式衔铁位于压控式主副磁极下方，压控式衔铁和平衡阀杆的下方设置压控式回油孔上段和压控式回油孔下段，压控式回油孔上段和压控式回油孔下段通过压控式回油节流孔相通，压控式回油孔下段通过压控式进油节流孔连通进油管路。
15.8、所述针阀偏心自调节喷嘴包括偏心自调节中间块、偏心自调节针阀体、偏心自调节针阀体外壳、偏心自调节阀块、偏心自调节喷嘴体，偏心自调节针阀体位于偏心自调节
针阀体外壳里，偏心自调节针阀体位于偏心自调节喷嘴体里，压控式回油孔下段设置于偏心自调节中间块里，偏心自调节中间块下端连接偏心自调节阀块，偏心自调节针阀体顶部位于偏心自调节阀块里，偏心自调节针阀体、偏心自调节阀块以及偏心自调节中间块之间形成偏心自调节控制腔，偏心自调节控制腔连通压控式回油孔下段，偏心自调节针阀体中部设置偏心自调节针阀体凸起，偏心自调节针阀体凸起上方套有偏心自调节针阀体复位弹簧，偏心自调节针阀体为偏心结构，其一部分贴于其外部的偏心自调节针阀体外壳的内壁。
16.本发明的优势在于：
17.1、本发明通过液氨-柴油双燃料一体化设计，节约安装空间，柴油供给同时控制氨燃料喷射器和柴油喷油器的喷射，以及为柴油喷油器提供燃油；
18.2、采用超磁致电磁控制执行器结构保证氨燃料喷射的精准控制。设计的超雾化喷嘴，整体设计采用外锥结构，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；
19.3、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；
20.4、采用多阀协同控制的形式，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；
21.5、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；
22.6、采用平衡阀控制方式，由于整体泡在高压燃油内，受到平衡力的作用，即减小了电磁力需求，又增加了控制相应；
23.7、中间块和自调节阀块的结合设计，一方面解决了传统无静态块泄漏的问题，另一方面通过自调节阀块的设计，防止了由于针阀偏心引起的磨损和泄漏问题。
附图说明
24.图1为本发明的结构示意图；
25.图2为增压模块结构示意图；
26.图3为蓄压腔热管理模块结构示意图；
27.图4为谐振块结构示意图；
28.图5为超磁滞电磁控制执行器结构示意图；
29.图6为直接控制式超雾化喷嘴模块结构示意图；
30.图7为副增压模块结构示意图；
31.图8为压力平衡式电磁控制执行器结构示意图；
32.图9为针阀偏心自调节喷嘴模块结构示意图；
33.图10为直接控制式超雾化喷嘴模块三维整体结构示意图；
34.图11为直接控制式超雾化喷嘴模块三维剖面结构示意图。
具体实施方式
35.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
36.结合图1-11，图1为本发明整体结构示意图，柴油增压-液氨直喷双燃料喷射器，包
括单向进氨口1、增压模块2、蓄压谐振限流模块3，7、超磁致电磁控制执行器4、直接控制式超雾化喷嘴模块5、单向进油口6、副增压模块8、压力平衡式电磁控制执行器9、针阀偏心自调节喷嘴10、液氨热管理模块11，12。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。
37.图2为喷射器增压模块详细示意图，增压模块包括：磁轭13、复位弹簧14、主副磁极15、线圈16、回氨通道17、增压活塞上表面18、中间腔19、增压活塞复位弹簧20、衔铁21、限位块22、阀杆复位弹簧24、双密封阀杆23、进氨通道25、中间管路26以及增压活塞下表面27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。
38.图3为蓄压谐振限流模块示意图，主要包括：蓄压腔28、液冷管入口29、谐振块30、中间块31、复位弹簧32、进氨孔33、棱形密封块34、限流活塞35、进氨道36、储存腔37、谐振块进氨路38、中间腔39、谐振块进氨路节流孔40、阀座41、中间孔42和复位弹簧43。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。
39.图4为谐振块示意图，主要包括：一号进氨路44、一号进氨节流孔45、二号进氨节流孔46、一号进氨腔47、一号出氨路48、二号进氨路49、二号进氨腔50、连通孔51以及二号出氨路52。
40.图5为超磁致电磁控制执行器示意图，主要包括：主副磁极53、线圈54、磁滞座55、上阀杆56、复位弹簧57、阀杆中间腔58、进氨管路59、储氨腔60、超磁滞材料61、限位块62、润滑油路63、64、下阀杆65、连接块66。
41.图6为直接控制式超雾化喷嘴模块示意图，主要包括：液冷工质入口管路67、针阀体68、喷射流道69、液冷工质出口管路70、阀座71、喷嘴72、连接螺栓73以及组成。
42.图7为副增压模块示意图，主要包括：主副磁极74、线圈75、进油通道76、中间管路77、密封球78、复位弹簧79、增压油管路80、增压活塞下表面81、阀杆复位弹簧82、衔铁83、回油管路84、双密封阀杆85、增压活塞上表面86、中间腔87、增压活塞复位弹簧88构成。
43.图8为压力平衡式电磁控制执行器示意图，主要包括：进油管路89、主副磁极90、线圈91、衔铁93、进油道92、复位弹簧95、平衡阀杆97、进油管路98、回油节流孔99、进油节流孔100。
44.图9为针阀偏心自调节喷嘴示意图，主要包括：中间块101、盛油槽102、自调节阀块103、复位弹簧104、针阀下端面105、喷孔106、控制腔107、控制阀杆上端面108、针阀体109、喷嘴体110、针阀密封面111以及喷嘴座面112组成。
45.图10、11为所设计的超雾化喷嘴，整体设计采用外锥结构，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。
46.液态氨燃料由单向进氨口1进入蓄压腔28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28后，经由谐振块30向下供给。谐振块30由三个管路44、46和49组成。燃料分别从三个管路流入限流器内，一号进氨路44为主流道，中间流过一号进氨节流孔45，对液氨流动起到滤波的
作用，随后流入一号进氨腔47中。二号进氨路49为负流道，中间未设置节流孔，通过二号进氨腔50和二号出氨路52后，直接流入限流器。而二号进氨节流孔46和连通孔51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28设置在喷油器体内部。中间块31不仅对整体限流阀组件起到了限位作用，而且与复位弹簧32进行配合，一方面作为复位弹簧32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34和限流活塞35的下端面和支撑控制阀座41的上端面配合。阀座41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39中，分别通过进油孔33和谐振块进氨路节流孔40流道限流阀中。受液压力的作用，随着液氨供给，棱形密封块34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34与阀座41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34快速复位。
47.柴油通过单向进油口6进入蓄压谐振限流模块3，进而向下供给，进入副增压模块8中，进增压后的燃油通过单向阀78、79分别为超磁致电磁控制执行器4、压力平衡式电磁控制执行器9和针阀偏心自调节喷嘴10供给柴油，分别控制氨燃料喷射器和柴油喷油器的喷射，以及为柴油喷油器提供燃油。
48.经过限流器，液氨由进氨道59供入盛氨槽60中，由增压模块、超磁致电磁控制执行器和直接控制式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，采用超磁致电磁控制执行器直接控制针阀上下受力，从而控制喷射定时。当未通电时，受到弹簧预紧力57的作用，喷嘴72处于密封状态。具体喷射过程的工作原理如下：当超磁致电磁控制执行器通电时，受到磁场的影响，超磁致材料62伸长，磁滞座55压迫上阀杆56向下运动，使上阀杆56和下端阀杆65形成的阀杆中间腔58的压力升高，下端阀杆65受到压力作用向下运动。带动针阀体68向下运动，喷射流道69打开，喷射器开始喷氨。当喷氨控制阀部分断电时，失去磁场影响，超磁致材料61缩短，针阀体68重新复位，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42，限流活塞35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35和棱形密封块34整体又恢复到初始位置。
49.本发明中柴油喷射器采用平衡阀控制方式，平衡阀杆由衔铁压紧。由于整体泡在高压燃油内，受到平衡力的作用，可以实现更高的共轨压力(250mpa)，从而减小了整体阀件的质量，即减小了电磁力需求，又增加了控制相应。从而仅需较小尺寸的电磁阀和衔铁配合以及较小的弹簧预紧力。同时所采用的平衡阀杆不直接受高度冲击，防止了传统球阀的穴蚀现象，增加系统可靠性。高压柴油由进油油路92和进油节流孔100流入控制腔107中，当未通电时，受到弹簧预紧力95的作用，衔铁93和平衡阀杆97处于密封状态，使电磁执行器管路与回油管路断开。柴油由进油油路92，经过进油节流孔100流道，向控制腔107供给。回油腔的存在减少了控制阀处燃油压力波动。燃油向下流进控制腔107中，控制腔是由中间块101、自调节阀块103和控制阀杆上端面108三部分结合而成的，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。而中间块101、自调节阀块103的结合设计，一方面解决了传统无静态块泄漏的问题，另一方面通过自调节阀块的设计，防止了由于针阀偏心引起的磨损和泄漏问题。本发明中主副增压模块的工作原理相似，以主增压模块为例，具体喷射过程的增压模块工作原理如下：
50.当采用无增压模式工作时，增压控制阀部分不通电，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14、20的作用衔铁21及双密封阀杆23处于压紧状态，进氨通道25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28中，经过谐振腔30流入限流阀内。由于谐振块30对液氨的节流作用，使得限流活塞35内的中间孔42和蓄压腔28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35和棱形密封块34整体向下位移，对喷射的压力进行了一定的补偿。当压力平衡式电磁控制执行器9通电时，受到磁场的影响，衔铁93克服弹簧预紧力95向上运动，打开回油通道，控制腔107与低压泄漏孔相连通，控制腔107内的燃料通过低压泄油孔流回到低压腔内。当控制腔107内的压力和针阀弹簧104的弹力形成的合力小于盛油槽102内向上的液压力时，针阀体109向上抬起，喷孔106打开，喷射器开始喷油。当喷油控制阀部分断电时，失去磁场影响，受到弹簧预紧力的作用，衔铁93向下运动，重新密封回油油路。同时带动平衡阀杆97向下运动，实现密封。控制腔107通过进油节流孔100重新建压，当控制腔107内的压力和针阀弹簧104的弹力形成的合力大于盛油槽102内向上的液压力时，针阀体109重新落座，喷射器停止喷射。而当喷射器停止工作时，随着燃油流过中间孔，限流活塞上下表面的压差会逐渐减小，在复位弹簧的作用下，限流活塞和棱形密封块整体又恢复到初始位置。
51.当采用增压模式工作时，增压控制阀部分通电，线圈16通电，主副磁极15形成电磁力，吸引衔铁21向上运动，同时带动双密封阀杆23向上运动，打开进氨通道25，关闭回氨通道17。液氨聚集在增压活塞上表面18，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。增压模块和压力平衡式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19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30流入限流阀内。经过限流阀的液氨由管道36供入储氨腔中。当压力平衡式电磁控制执行器通电时，受到磁场的影响，衔铁93克服弹簧预紧力95向上运动，打开回油通道，控制腔107与低压泄漏孔相连通，控制腔107内的燃料通过低压泄油孔流回到低压腔内。当控制腔107内的压力和针阀弹簧104的弹力形成的合力小于盛油槽102内向上的液压力时，针阀体109向上抬起，喷孔106打开，喷射器开始喷油。当喷油控制阀部分断电时，失去磁场影响，受到弹簧预紧力的作用，衔铁93向下运动，重新密封回油油路。同时带动平衡阀杆97向下运动，实现密封。控制腔107通过进油节流孔100重新建压，当控制腔107内的压力和针阀弹簧104的弹力形成的合力大于盛油槽102内向上的液压力时，针阀体109重新落座，喷射器停止喷射。
52.在蓄压谐振限流模块3和直接控制式超雾化喷嘴模块5设计热管理模块，包括冷媒的入口29、67和出口12、70。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。
53.由上述描述可知，本发明通过液氨-柴油双燃料一体化设计，节约安装空间，柴油供给同时控制氨燃料喷射器和柴油喷油器的喷射，以及为柴油喷油器提供燃油。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。采用多阀协同控制的形式，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。本发明可采用主副增压模式，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。采用超磁致电磁控制执行器结构保证氨燃料喷射的精准控制。采用平衡阀控制方式，由于整体泡在高压燃油内，受到平衡力的作用，可以实现更高的共轨压力(250mpa)，从而减小了整体阀件的质量，即减小了电磁力需求，又增加了控制相应。从而仅需较小尺寸的电磁阀和衔铁配合以及较小的弹簧预紧力。同时所采用的平衡阀杆不直接受高度冲击，防止了传统球阀的穴蚀现象，增加系统可靠性。中间块和自调节阀块的结合设计，一方面解决了传统无静态块泄漏的问题，另一方面通过自调节阀块的设计，防止了由于针阀偏心引起的磨损和泄漏问题。设计的超雾化喷嘴，整体设计采用外锥结构，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。