一种带压电执行器的集成式环歧管壁面气体燃料喷射混合装置的制作方法

本发明涉及的是一种进气装置，具体地说是气体燃料发动机的进气装置。

背景技术：

不断提高的排放标准和日益严峻的能源危机问题对发动机技术提出了新的挑战，以天然气为首的许多气体燃料作为发动机的替代燃料成为了国内外许多科研工作者的研究重点，气体燃料发动机也成为了广泛研究的对象。一整套进气装置，包括从燃气喷射阀到进气歧管再到气缸气阀等诸多部分，燃料和空气流经的每个部分对于气体燃料发动机的性能都具有重要意义。对于气体燃料的喷射，既要要求喷射响应性高，同时还要求喷射稳定、可靠；而对于气体燃料和空气的流动，需要使气体燃料和空气在进入到气缸之前能够进行充分的混合，以提高燃料燃烧效率节约能源消耗。

为实现燃料供给的高响应性和燃料与空气的充分混合，许多研究人员在研究了一系列进气系统，这些系统结构虽然为燃气供给提供了一种较好的方法，但同时也存在着一些不足。例如：cn106050479a专利“一种燃气喷射阀及喷射管结构、安装布置方法”中介绍了一种发动机燃气喷射阀及喷管结构，其特点在于在喷管侧壁上开设了许多排喷口，各排喷口交错分布，在一定成程度上增强了燃料与空气的混合，但是气体燃料在从喷口喷出后，在进气道径向方向上的气体浓度会逐渐降低，这也会造成燃料与空气混合不充分。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能使燃料在进入到气缸之前与空气进行充分混合，提高燃烧效率的一种带压电执行器的集成式环歧管壁面气体燃料喷射混合装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种带压电执行器的集成式环歧管壁面气体燃料喷射混合装置，其特征是：包括燃气喷射阀、气罩、燃料扩散管；

所述燃气喷射阀包括阀体、阀座、阀杆、压电晶体、液力放大器、隔板、阀芯组合体，阀体上方固定有固定块，固定块中部开有直槽，压电晶体安装在直槽里，阀体固定在阀座上，阀体里设置隔板，液力放大器设置隔板上方，阀芯组合体设置在隔板下方，隔板下方的阀体与阀座之间形成阀空间，所述液力放大器包括大活塞、小活塞、套筒，套筒设置在隔板上，套筒上端的中心为粗出口，套筒上端的端部为细出口，大活塞设置在粗出口里，小活塞设置在细出口里，大活塞的凸缘与套筒之间设置大活塞支撑弹簧，小活塞的凸缘与套筒之间设置小活塞支撑弹簧，大活塞、小活塞下方的套筒里充有液压油，大活塞上表面与压电晶体下表面贴合在一起，大活塞外部设置圆环盘，小活塞上表面与圆环盘下表面贴合，圆环盘和固定块里均设置凹槽，复位弹簧的两端分别布置在圆环盘和固定块的凹槽里，所述的阀芯组合体包括衔铁、弹簧座、底板、阀芯，衔铁、底板、阀芯自上而下布置同时通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座位于衔铁外部并与衔铁之间形成环形槽，隔板下表面设置环形槽，复位弹簧的两端分别布置在隔板的环形槽和弹簧座的环形槽内，衔铁中心处设置压力平衡孔，底板上设置压力平衡槽，阀芯为中空结构，阀芯下方的阀座上设置中心稳压腔，阀座的外端设置端部稳压腔，压力平衡孔、压力平衡槽、阀芯的中空部分以及中心稳压腔相通并构成内部空间，阀芯上设置密封环带，密封环带形成进气环腔，阀座上设置出气环带和导向块，导向块位于阀芯周围，出气环带位于进气环腔下方，出气环带下方设置出气孔，隔板上设置通孔，阀杆的中部穿过通孔，阀杆的上部与圆环盘相连，阀杆的下方通过卡簧与衔铁固定在一起；

所述燃料扩散管包括气管主体，气管主体包括主管和支管，主管为空腔的圆环结构，圆环结构上设置主管连通孔，圆环中部为主管中心孔，支管的前端与主管的圆环结构相通，主管与连接气罩相连并相通，主管中心孔连通空气进气道，主管中心孔后方的支管区域构成燃气混合区，所有支管贴于进气歧管管壁四周分布，支管的内侧开设斜槽；

出气孔连通连接气罩。

本发明还可以包括：

1、主管连接气罩的一端上方为波浪形结构，主管连通孔处为圆台结构。

2、支管的末端设置半圆开孔，每个支管上的斜槽为四个，其与进气歧管轴线的夹角分别为30°、30°、45°、60°。

3、阀体上设置伸出部分，伸出部分设置进气口，进气口下方的阀体里设置导流腔，进气口、导流腔相通并构成外部空间，外部空间与内部空间相通，阀芯上设置轴向进气孔；

燃气经进气口垂直流入导流腔，一部分燃气流入到内部空间以及阀座的中心稳压腔，其余燃气流入阀芯上方，一部分燃气流经轴向进气孔，充满阀芯上的进气环腔，另一部分燃气流入阀座外端的端部稳压腔内；

压电晶体未通电时，阀芯上的密封环带与阀座的上表面紧密配合，燃气充满燃气喷射阀的阀体内部的外部空间和内部空间；压电晶体通电后，压电晶体受到电流激励从而伸长，推动大活塞向下运动，套筒中的液压油受到压缩，在液压油压力的作用下，小活塞向上运动，阀杆亦向上运动，在卡簧的固定作用下，带动阀芯组合体向上运动，直到套筒内的液压油压力回到初始状态，小活塞不再运动，阀芯组合体随之停止，燃气由阀芯上的轴向进气孔流入，通过进气环腔，经由阀芯与阀座之间的空隙，由出气孔垂直流出并进入连接气罩，之后进入燃料扩散管，燃气在主管的圆环结构内扩散，再流入到各个支管中，流入到支管的燃气通过各个斜槽喷入到燃气混合区，与此同时空气从空气进气道经过主管中心孔进入到燃气混合区，在涡流的作用下，燃气与空气混合流入到进气歧管中；压电晶体断电后，压电晶体缩短，在大活塞支撑弹簧的作用下，大活塞回到初始位置，套筒内液压油压力下降，在复位弹簧的作用下，圆环盘、小活塞向下运动，阀杆、阀芯组合体随之向下运动，直至套筒内液压油压力回到初始状态，大活塞、小活塞回到初始位置，阀芯组合体回到初始位置，阀芯表面与阀座表面贴合，燃气喷射阀关闭，气路关闭。

本发明的优势在于：本发明阀芯底端应用密封环带进而形成进气环腔，燃气沿轴向进入，一方面避免了燃气干涉，保证了气路平衡，另一方面减轻了阀座质量，提高了响应速度；通过压力平衡孔、压力平衡槽和稳压腔能够保证阀开闭的稳定性，增强装置供气和断气的响应性；通过燃料扩散管空腔结构，使燃料能分布在整个装置中，实现供气装置供气的连续性和高响应性；通过支管斜槽结构，使喷出的气体燃料形成涡流，促进燃料与空气的混合程度，有利于燃烧，提高装置工作性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为燃气喷射阀总体示意图；

图3为阀芯组合体示意图；

图4为燃料扩散管立体图；

图5为燃料扩散管正视图；

图6为气体燃料的流动图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6，本发明中的一种带压电执行器的集成式环歧管壁面气体燃料喷射混合装置，分为燃气喷射阀1、连接气罩2和燃料扩散管3。燃气喷射阀主要由固定块4、压电晶体5、复位弹簧6、液力放大器组件、圆环盘12、阀杆13、阀芯组合体18、阀体6和阀座21组成，其特征是：阀体6主体分为上下两个空腔部分，由隔板17隔开，隔板17上开有对称的通孔；固定块4位于阀体6上方，并用螺栓与阀体6固定，之间用密封胶圈密封；固定块4在中心位置开有一定深度的直槽，压电晶体5布置在其中，在直槽上方开有一直径较小的通孔，用于布置压电晶体5与阀体外控制单元的接电线；压电晶体5下方为液力放大器组件，由大活塞8、小活塞15、大活塞支撑弹簧9、小活塞支撑弹簧14和套筒10组成，其特征在于：大活塞8、小活塞15分别位于套筒10上端中心粗出口和四周细出口上，套筒10内部为封闭腔，内部充满液压油16；大活塞8、小活塞15侧表面与套筒10内壁之间布置有密封环，以防止套筒10内液压油16的泄漏；此外在大活塞8、小活塞15的凸缘和大活塞支撑弹簧9、小活塞支撑弹簧14作用下，大活塞8、小活塞15不会完全进入套筒10中，且使大活塞8的上表面紧贴压电晶体5的下表面，小活塞15上表面紧贴圆环盘12下表面。复位弹簧7的两端分别布置在固定块4与圆环盘12上的凹槽内，圆环盘12的两端开有圆孔，孔内开有螺纹，利用螺纹将圆环盘12与阀杆13连接在一起，阀杆13布置在隔板17中的通孔内，其下端利用卡簧与阀芯组合体18上端固定在一起；阀芯组合体18布置在隔板17下方；衔铁复位弹簧27的两端分别布置在隔板17与阀芯组合体18上弹簧座23的环形槽上；阀芯组合体18下方为阀座21结构；阀座21与阀体6之间通过螺栓固定连接在一起，二者之间的配合面通过密封胶圈来实现密封。气罩2的作用在于将原来的混合气道分为两个部分，分别流通气体燃料和空气。气罩2一端与燃气喷射阀1出口紧密连接，另一端则与燃料扩散管3紧密连接，燃料从燃气喷射阀1喷出经气罩2进入扩散管3。燃料扩散管3位于进气歧管内，紧贴进气歧管布置，根据结构特点可分为主管30和支管31，主管30是一个连接气罩2的环形空腔结构，主管中心孔连接着空气进气道；在主管的另一侧连接着若干支管31，主管20和支管31相互连通。在支管31内侧壁上开设一系列角度不等的斜槽32，斜槽32角度采用渐变形式，气体燃料可以通过这一系列的斜孔从各个支管31流入到燃气混合区，并使从支管31喷射到混合区的气体燃料形成涡流，加快燃料与空气的混合；支管末端开有半圆形孔，以防止气体燃料阻滞在支管中。

图三为阀芯组合体18部分，位于阀体6之中，由衔铁22、弹簧座23、底板24、阀芯25、衔铁复位弹簧27等组成，其特征是：衔铁22、弹簧座23、底板24和阀芯25自上而下通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座24内部的侧表面与衔铁22的侧表面相接触，阀芯25由阀芯主体、密封环带29组成，其周向固定在阀座上的四个导向块19上，保证自身垂直度，保证装置稳定性。衔铁22中心位置开设压力平衡孔26，压力平衡孔26与衔铁22下方底板24开设的周向压力平衡槽28相通，使内外气路达到平衡，阀芯组合体18内外燃气无压力差，避免自身在运动时受到额外的轴向力，提高燃气喷射的稳定性和响应性。

在燃气喷射阀工作过程中，采用压电方式驱动，提高燃气喷射响应性，且能够实现燃气喷射阀1升程的可变性。压电晶体5未通电时，在衔铁复位弹簧27预紧力作用下，阀芯组合体18在初始位置维持不动，阀芯组合体18中的阀芯25的密封环带29的下表面与阀座21的出气环带20的上表面紧密贴合，此时出气环带20与阀体6内部空间尚未连通，燃气充满燃气喷射阀的阀体6内部的整个空间。

当发动机进入进气冲程时，压电晶体5通电后，压电晶体5受到电流激励从而伸长，推动大活塞8向下运动，套筒10中的液压油16受到压缩，压力升高，在液压油16压力的作用下小活塞15向上运动，小活塞15对称分布在圆环盘12的下方，平稳地推动圆环盘12向上运动，由于螺纹的连接作用，阀杆13亦向上运动，带动阀芯组合体18向上运动，气阀打开，在阀芯组合体18的运动过程中，通过导向块19实现外导向，保证了气阀工作的稳定性。燃气由阀芯25周围空间，通过多道密封环带29周围具有一定深度的进气环腔35，经由阀芯25与阀座21之间的空隙，最后经由出气口36导向后垂直流出，阀芯25和阀座21间采用多道环带，面密封，稳压平衡，提高装置工作的稳定性，并且较宽的环带面积可减少冲击，提高装置可靠性。

在阀座21中心和外围处均设置稳压腔11，能够有效抑制燃气喷射阀内部燃气压力的波动可使通气均匀，实现气流的稳定工作，可靠工作，进而提高装置的响应速度。

燃料经过气罩2流入燃料扩散管3，气体燃料在主管30的圆环结构内扩散，再流入到各个支管中31，流入到支管31的气体燃料通过各个斜槽32喷入到燃气混合区，与此同时新鲜空气从空气进气道经过主管中心孔进入到燃气混合区，由于支管分布在贴近进气歧管的位置，破坏了歧管壁形成的空气边界层，增加空气流动的湍动能，此外由于支管上的斜槽32采取渐变的角度设计，因此气体燃料在喷入到混合区时会产生涡流，在涡流的作用下，燃料与空气可以进行充分的混合再流入到气缸中。

在发动机进气冲程结束后，燃气喷射阀1内线圈断电，压电晶体2缩短，在大活塞支撑弹簧9的作用下，大活塞8开始回到初始位置，套筒10内液压油16压力下降，在复位弹簧7的作用下，圆环盘12、小活塞15开始向下运动，阀杆13、阀芯组合体18随之向下运动，直至套筒10内液压油16压力回到初始状态，大活塞8、小活塞15回到初始位置，此时阀芯组合体18也对应的回到初始位置，阀芯25表面与阀座21表面贴合，重新回到初始位置，燃气喷射阀关闭，气路关闭。燃料在燃料扩散管3内的流动也就基本停止，燃料就被储存在气罩2、主管30和各个支管31内。待到下次进气冲程时，燃气喷射阀1和气缸气阀打开，储存在气罩2、主管30、支管31内的燃料会被后续的燃料推送到燃气混合区，在与空气混合后进入气缸，由此提高了整个进气装置供气的连续性和响应性。

本发明中的一种带压电执行器的集成式环歧管壁面气体燃料喷射混合装置，分为燃气喷射阀、连接气罩和燃料扩散管。燃气喷射阀主要由固定块、压电晶体、复位弹簧、液力放大器组件、圆环盘、阀杆、阀芯组合体、阀体和阀座组成，阀体主体分为上下两个空腔部分，由隔板隔开，隔板上开有对称的通孔；固定块位于阀体上方，并用螺栓与阀体固定，之间用密封胶圈密封；固定块在中心位置开有一定深度的直槽，压电晶体布置在其中，在直槽上方开有一直径较小的通孔，用于布置压电晶体与阀体外控制单元的接电线；压电晶体下方为液力放大器组件，由大活塞、小活塞、大活塞支撑弹簧、小活塞支撑弹簧和套筒组成，大小活塞分别位于套筒上端中心粗出口和四周细出口上，套筒内部为封闭腔，内部充满液压油；大小活塞侧表面与套筒内壁之间布置有密封环，以防止套筒内液压油的泄漏；此外在大小活塞凸缘和大小活塞支撑弹簧作用下，大小活塞不会完全进入套种中，且使大活塞的上表面紧贴压电晶体的下表面，小活塞上表面紧贴圆环盘下表面。复位弹簧的两端分别布置在固定块与圆环盘上的凹槽内，圆环盘的两端开有圆孔，孔内开有螺纹，利用螺纹将圆环盘与阀杆连接在一起，阀杆布置在隔板中的通孔内，其下端利用卡簧与阀芯组合体上端固定在一起；阀芯组合体布置在隔板下方，由衔铁、弹簧座、底板、阀芯、衔铁复位弹簧等组成，衔铁、弹簧座、底板和阀芯自上而下通过紧固螺栓连接在一起，弹簧座内部的侧表面与衔铁的侧表面相接触，衔铁复位弹簧的两端分别布置在隔板与弹簧座的环形槽上，阀芯由阀芯主体、密封环带组成，其周向固定在阀座上的四个导向块上，保证自身垂直度；阀芯下方为阀座结构；阀座与阀体之间通过螺栓固定连接在一起，二者之间的配合面通过密封胶圈来实现密封。气罩的作用在于将原来的混合气道分为两个部分，分别流通气体燃料和空气。气罩一端与燃气喷射阀出口紧密连接，另一端则与燃料扩散管紧密连接，燃料从燃气喷射阀喷出经气罩进入扩散管。燃料扩散管位于进气歧管内，紧贴进气歧管布置，根据结构特点可分为主管和支管，主管是一个连接气罩的环形空腔结构，主管中心孔连接着空气进气道；在主管的另一侧连接着若干支管，主管和支管相互连通。在支管内侧壁上开设一系列角度不等的斜槽，斜槽角度采用渐变形式，气体燃料可以通过这一系列的斜孔从各个支管流入到燃气混合区，并使从支管喷射到混合区的气体燃料形成涡流，加快燃料与空气的混合；支管末端开有半圆形孔，以防止气体燃料阻滞在支管中。

燃气喷射阀中衔铁部分，位于隔板下方，中心位置开设压力平衡孔，压力平衡孔与衔铁下方底板开设的周向压力平衡槽相通，使内外气路达到平衡，阀芯组合体内外燃气无压力差，避免自身在运动时受到额外的轴向力，提高燃气喷射的稳定性和响应性。

燃气喷射阀中阀芯组合体和阀座结合处部分，采用密封环带和出气环带交错分布的形式进行面密封，同时大的环带结构能够减少结构质量，减小冲击，提高装置工作稳定性。

装置中燃气喷射阀座的中心和外围开有稳压腔，阀座中心位置的稳压腔与阀芯组合体内部的燃气空间相连通，而阀座外围处的稳压腔与阀体内的导流腔相连通，能够有效抑制阀内部气体压力的波动，提高装置工作稳定性，实现装置高响应速度。

装置中的气罩部分，其表面结构采用较大的曲率半径，避免较为尖锐的棱角结构，这样可以减小燃料从喷射阀经气罩喷入气管主体部分过程中的节流损失。

装置中燃料扩散管中的各个支管，均匀布置在贴近气歧管管壁的位置，这样的结构设计可以在燃气流通时破坏歧管壁形成的空气边界层，增加空气流动的湍动能，以增强燃料与空气之间的混合。

一种带压电执行器的集成式环歧管壁面气体燃料喷射混合装置可以增强燃料供给响应性，首先燃气喷射阀采用压电驱动方式和压力平衡孔结构增强阀芯开启响应性；当燃气喷射阀开启，燃料经气罩流入到染料扩散管中，最后与空气混合流入气缸中；在燃气喷射阀和气缸气阀都关闭后，由于本装置能够将燃料和空气进行一定的隔离，可以将已从喷射阀喷出但未能及时进入气缸的气体燃料贮存在燃料扩散管的空腔中防止扩散损失，待下次喷气阀和气缸气阀开启后，该部分气体燃料可以迅速地供给到到气缸中用于燃烧，提高了燃料供给响应性。