一种缸内直喷的气体燃料喷射器及其控制方法与流程

本发明涉及一种燃料喷射器，特别涉及一种缸内直喷的气体燃料喷射器及其控制方法。

背景技术：

缸内直喷即是将燃油直接喷入燃烧室内进行燃烧的技术，是实现点燃式发动机节能、清洁燃烧的有效方法之一。燃油直接在气缸内汽化降低了缸内温度，提高了充气效率，抑制爆震倾向，可以用较高的压缩比进一步提高热效率，提升燃油的经济性，缸内直喷发动机同时也具备良好的加速反应性和瞬时启动性。因此缸内直喷较进气道喷射等缸外喷射具有更高的热效率，更快的瞬态响应能力以及更低的污染物排放。液体燃料的缸内直喷技术已经比较成熟。

随着石油资源的逐渐枯竭、气体燃料的开采量加大、储运技术的提高以及气体燃料电控喷射技术等的发展，特别是对发动机排放指标要求的日益严格，气体燃料在发动机上的使用又进入了一个新的发展时期。目前在发动机上使用的气体燃料有天然气、液化石油气、煤气和氢气等。

目前，气体燃料发动机供气方式大多为进气道喷射方式，对于所有采用缸外供气方式的气体燃料发动机，由于燃气会占据一部分的体积,存在充气效率低、发动机功率下降的缺点。因此发展了缸内直喷供气方式，提高了发动机充气效率，但喷射装置与缸内高温高压气体直接接触，在耐热性和密封性方面的要求更为严格。传统气体燃料喷射装置的喷射流量较小，限制了气体燃料发动机的功率，并且喷射装置的执行机构落座冲击力大，容易磨损。因此需要一种喷射流量更大、耐热性和密封性更好、使用寿命更长的气体燃料缸内直喷的喷射器及其控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现阶段缺少缸内直喷气体燃料喷射器的问题，提供的一种缸内直喷的气体燃料喷射器及其控制方法。

本发明提供的缸内直喷的气体燃料喷射器，包括喷射器壳体、喷嘴体、针阀、散热回路和垫圈，所述的喷嘴体设在喷射器壳体下部，喷射器壳体上端开设有进气口，喷嘴体下端开设有喷射口，进气口和喷射口之间设有连通的气体通道；针阀设在气体通道内，针阀下端柱塞落座于喷嘴体下端的喷射口；其中，喷嘴体内设有环绕喷嘴体一周的环形空腔，空腔中填充有冷却介质，空腔通过管道与循环泵和散热器串联形成散热回路；垫圈设在喷嘴体下端的喷射口处，位于喷射口与柱塞之间。

本发明还包括插接器、衔铁、电磁线圈、限位槽、弹簧底座和回位弹簧，所述的插接器设在喷射器壳体外侧；衔铁固定在针阀上部，电磁线圈设在喷射器壳体对应衔铁上方的位置，电磁线圈通过导线与插接器相连；限位槽设在气体通道内，弹簧底座设在限位槽上方，针阀上部的衔铁位于限位槽内，回位弹簧一端抵接于弹簧底座，另一端抵接于针阀上端，针阀下端柱塞在回位弹簧的弹力作用下，落座于喷嘴体下端的喷射口。

所述的针阀为粗式针阀，针阀下端柱塞的直径为0.8-1.2mm，喷射口的直径与柱塞的直径相同。

多个喷射器的散热回路通过管道串联成一个整体的散热回路。

所述的散热回路还包括散热回路温度传感器，散热回路温度传感器设在散热回路的管道上，与循环泵相连。

所述的冷却介质由乙二醇(c2h4(oh)2)、丙三醇(c3h5(oh)3)、乙醇(c2h5oh)中的一种或多种与防腐蚀添加剂和纯净水组成。

所述的垫圈为橡胶垫圈。

所述的喷射器壳体上端进气口处设有过滤网，进气口外侧设有橡胶圈。

本发明提供的一种缸内直喷的气体燃料喷射器的控制方法，其步骤如下：

第一步，将上述的一种缸内直喷的气体燃料喷射器上端进气口与进气管道相连，下端喷射口与气缸相连，插接器与电控器相连；电控器另一端分别与发动机的油门踏板位置传感器、发动机转速传感器、进气歧管绝对压力传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、曲轴转角传感器、上止点位置传感器、节气门开度传感器、爆震传感器、气体燃料压力传感器和气体燃料温度传感器相连，分别获取发动机的油门踏板位置信号(a)、发动机转速信号(b)、进气歧管绝对压力信号(c)、冷却液温度信号(d)、进气温度信号(e)、曲轴转角信号(f)、上止点位置信号(g)、节气门开度信号(h)、爆震信号(i)、气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)；

第二步，通过油门踏板位置信号(a)判断发动机的运行工况；

第三步，根据发动机转速信号(b)和进气歧管绝对压力信号(c)结合存贮在电控器中的标定数据进行分析运算，得到喷射脉宽的基本值tp；根据曲轴转角信号(f)和上止点位置信号(g)结合存贮在电控器中的标定数据进行分析运算，确定喷射时刻基本值sp；

第四步，根据冷却液温度信号(d)、进气温度信号(e)、节气门开度信号(h)、气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)分别得出冷却液温度、进气温度、节气门开度、气体燃料压力和气体燃料温度影响喷射脉宽的修正系数θd、θe、θh、θj和θk，对喷射脉宽的基本值进行修正，得到喷射脉宽的实际值t为：t＝tp*θd*θe*θh*θj*θk；根据爆震信号(i)得出爆燃强度和频率决定推迟点火的曲轴转角度数θi，对喷射时刻的基本值进行修正，得到喷射时刻的实际值s为：s＝sp-θi；

第五步，电控器将得到的喷射脉宽的实际值t和喷射时刻的实际值s转换为气体燃料喷射控制信号(m)即驱动电流，输出至插接器，电磁线圈接收到驱动电流后产生电磁力，使衔铁克服回位弹簧及气体燃料背压带动针阀向上运动，进而使喷射器执行相应的喷射脉宽和喷射时刻以实现所要求的控制。

其中：第四步中，电控器接收冷却液温度信号(d)获取的冷却液温度小于10℃时，θd＝1.2，冷却液温度在10℃至50℃时，θd＝1.1～1.0，冷却液温度大于50℃时，θd＝0.8；

电控器接收进气温度信号(e)获取的进气温度小于10℃时，θe＝1.1，进气温度在10℃至50℃时，θe＝1.1～1.0，进气温度大于50℃时，θe＝0.9；

电控器接收节气门开度信号(h)获取的节气门开度为0％时，θh＝0，节气门开度为100％时，θh＝1，θh值和节气门开度成正比关系；

电控器接收气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)，计算得出实际气体燃料喷射流量，θj*θk＝标定气体燃料压力和温度下的标定气体燃料喷射流量/实际气体燃料喷射流量。

电控器接收爆震信号(i)获取爆燃强度和频率决定推迟点火的曲轴转角度数θi，θi值为0℃a≤θi＜10℃a。

电控器还与故障诊断器相连，获取故障诊断信号(l)，电控器可以根据故障诊断信号(l)实时监测气体燃料喷射器有无泄漏等问题发生。

本发明中所述的发动机的油门踏板位置传感器、发动机转速传感器、进气歧管绝对压力传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、曲轴转角传感器、上止点位置传感器、节气门开度传感器、爆震传感器、气体燃料压力传感器、气体燃料温度传感器和故障诊断器，以及电控器均为现有设备，且具体所在位置也均为现有技术，因此具体结构不在此赘述。

本发明的工作原理：

将本发明提供的一种缸内直喷的气体燃料喷射器上端进气口与进气管道相连，下端喷射口与气缸相连，插接器与电控器相连；电控器另一端分别与发动机各传感器相连，获取相应信号，经过计算分析得出喷射脉宽的实际值和喷射时刻的实际值，转换为气体燃料喷射控制信号，以驱动电流的形式输出至插接器，电磁线圈接收到驱动电流后产生电磁力，使衔铁克服回位弹簧及气体燃料背压带动针阀向上运动，针阀向上运动使下端柱塞脱离喷射口，气体燃料流经气体通道从下端喷射口喷出，进而使喷射器执行相应的喷射脉宽和喷射时刻以实现所要求的控制。

由于气体燃料的散热作用远不及液体燃料，喷嘴体与气缸直接接触，缸内高温高压气体给喷嘴体带来的热负荷较大，因此在喷嘴体内设置充满冷却介质的环形空腔，及与空腔串联的散热回路，当所述散热回路的散热回路温度传感器监测散热回路平均温度高于预设最高温度时，所述散热器和循环泵开始工作，对喷嘴体进行散热；当散热回路平均温度低于预设最高温度时，散热器和循环泵停止工作。散热回路可以更好的增加气体燃料喷射器的耐热性，保证了气体燃料喷射器长时间工作的稳定性。

由于相同热值的气体燃料的体积要大于液体燃料的体积，因此为满足较大功率的气体燃料发动机，该喷射器采用了流通截面积较大的粗式针阀，同时粗式针阀结构简单，不会增大气体燃料喷射装置的体积和安装空间。

由于气体燃料无法像液体燃料一样起到针阀落座时的缓冲作用，因此在喷嘴体下端的喷射口处设置垫圈，特别是弹性体垫圈，可以有效保护针阀不和喷射口直接接触，减小针阀落座冲击力，在大流量喷射时更为明显，保证了气体燃料喷射器长时间工作的稳定性，同时保证了气体燃料喷射器的密封性。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种缸内直喷的气体燃料喷射器用于气体燃料缸内直喷，喷射脉宽和喷射时刻可控，且喷射流量更大，满足较大功率的气体燃料发动机的使用；喷嘴体的散热效果更好，耐热性能更高，工作时间更长；针阀落座时冲击力小，损耗小，使用寿命更长，且密封性更好，防止气体燃料泄露。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明喷射状态结构示意图。

图3为本发明多个气体燃料喷射器散热回路串联结构示意图。

图4为本发明控制方法结构示意图。

图5为本发明控制方法流程示意图。

1、喷射器壳体2、喷嘴体3、针阀4、散热回路5、垫圈

6、进气口7、喷射口8、气体通道9、柱塞10、空腔

11、循环泵12、散热器13、插接器14、衔铁15、电磁线圈

16、限位槽17、弹簧底座18、回位弹簧19、散热回路温度传感器

20、过滤网21、橡胶圈。

具体实施方式

请参阅图1-图5所示：

本发明提供的缸内直喷的气体燃料喷射器，包括喷射器壳体1、喷嘴体2、针阀3、散热回路4和垫圈5，所述的喷嘴体2设在喷射器壳体1下部，喷射器壳体1上端开设有进气口6，喷嘴体2下端开设有喷射口7，进气口6和喷射口7之间设有连通的气体通道8；针阀3设在气体通道8内，针阀3下端柱塞9落座于喷嘴体2下端的喷射口7；其中，喷嘴体2内设有环绕喷嘴体2一周的环形空腔10，空腔10中填充有冷却介质，空腔10通过管道与循环泵11和散热器12串联形成散热回路4；垫圈5采用橡胶垫圈，橡胶垫圈设在喷嘴体2下端的喷射口7处，位于喷射口7与柱塞9之间，可以有效保护针阀3不和喷射口7直接接触，减小针阀3落座冲击力，在大流量喷射时更为明显，保证了气体燃料喷射器长时间工作的稳定性；同时橡胶垫圈密封性好，抗腐蚀能力强，保证了气体燃料喷射器的密封性。

本发明还包括插接器13、衔铁14、电磁线圈15、限位槽16、弹簧底座17和回位弹簧18，所述的插接器13设在喷射器壳体1外侧；衔铁14固定在针阀3上部，电磁线圈15设在喷射器壳体1对应衔铁14上方的位置，电磁线圈15通过导线与插接器13相连；限位槽16设在气体通道8内，弹簧底座17设在限位槽16上端，针阀3上部的衔铁14位于限位槽16内，回位弹簧18一端抵接于弹簧底座17，另一端抵接于针阀3上端，针阀3下端柱塞9在回位弹簧18的弹力作用下，落座于喷嘴体2下端的喷射口7。

为满足较大功率的气体燃料发动机，针阀3采用了流通截面积较大的粗式针阀，粗式针阀包括针阀杆、针阀杆上端的针阀帽和针阀杆下端的柱塞9，其中柱塞9的直径为1.0mm，粗式针阀结构简单，不会增大气体燃料喷射装置的体积和安装空间，喷射口7的直径与柱塞9的直径相同。

多个喷射器的散热回路4通过管道串联成一个整体的散热回路4，节约成本，同时保证每个喷射器的散热效果相同。

所述的散热回路4还包括散热回路温度传感器19，散热回路温度传感器19设在散热回路4的管道上，与循环泵11相连。

所述的冷却介质由乙二醇(c2h4(oh)2)、丙三醇(c3h5(oh)3)、乙醇(c2h5oh)中的一种或多种与防腐蚀添加剂和纯净水组成。比热容较大的冷却介质可以更好的增加气体燃料喷射器的耐热性，保证了气体燃料喷射器长时间工作的稳定性。

所述的喷射器壳体1上端进气口6处设有过滤网20，用于过滤气体燃料中的固体杂质；进气口6外侧设有橡胶圈21，增强喷射器与进气管道连接时的密封性。

本发明提供的一种缸内直喷的气体燃料喷射器的控制方法，其步骤如下：

第一步，将上述的一种缸内直喷的气体燃料喷射器上端进气口6与进气管道相连，下端喷射口7与气缸相连，插接器13与电控器相连；电控器另一端分别与发动机的油门踏板位置传感器、发动机转速传感器、进气歧管绝对压力传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、曲轴转角传感器、上止点位置传感器、节气门开度传感器、爆震传感器、气体燃料压力传感器和气体燃料温度传感器相连，分别获取发动机的油门踏板位置信号(a)、发动机转速信号(b)、进气歧管绝对压力信号(c)、冷却液温度信号(d)、进气温度信号(e)、曲轴转角信号(f)、上止点位置信号(g)、节气门开度信号(h)、爆震信号(i)、气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)；

第二步，通过油门踏板位置信号(a)判断发动机的运行工况；

第三步，根据发动机转速信号(b)和进气歧管绝对压力信号(c)结合存贮在电控器中的标定数据进行分析运算，得到喷射脉宽的基本值tp；根据曲轴转角信号(f)和上止点位置信号(g)结合存贮在电控器中的标定数据进行分析运算，确定喷射时刻基本值sp；

第四步，根据冷却液温度信号(d)、进气温度信号(e)、节气门开度信号(h)、气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)分别得出冷却液温度、进气温度、节气门开度、气体燃料压力和气体燃料温度影响喷射脉宽的修正系数θd、θe、θh、θj和θk，对喷射脉宽的基本值进行修正，得到喷射脉宽的实际值t为：t＝tp*θd*θe*θh*θj*θk；根据爆震信号(i)得出爆燃强度和频率决定推迟点火的曲轴转角度数θi，对喷射时刻的基本值进行修正，得到喷射时刻的实际值s为：s＝sp-θi；

第五步，电控器将得到的喷射脉宽的实际值t和喷射时刻的实际值s转换为气体燃料喷射控制信号(m)即驱动电流，输出至插接器13，电磁线圈15接收到驱动电流后产生电磁力，使衔铁14克服回位弹簧18及气体燃料背压带动针阀3向上运动，进而使喷射器执行相应的喷射脉宽和喷射时刻以实现所要求的控制。

其中：第四步中，电控器接收冷却液温度信号(d)获取的冷却液温度小于10℃时，θd＝1.2，冷却液温度在10℃至50℃时，θd＝1.1～1.0，冷却液温度大于50℃时，θd＝0.8；

电控器接收进气温度信号(e)获取的进气温度小于10℃时，θe＝1.1，进气温度在10℃至50℃时，θe＝1.1～1.0，进气温度大于50℃时，θe＝0.9；

电控器接收节气门开度信号(h)获取的节气门开度为0％时，θh＝0，节气门开度为100％时，θh＝1，θh值和节气门开度成正比关系；

电控器接收气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)，计算得出实际气体燃料喷射流量，θj*θk＝标定气体燃料压力和温度下的标定气体燃料喷射流量/实际气体燃料喷射流量。

电控器接收爆震信号(i)获取爆燃强度和频率决定推迟点火的曲轴转角度数θi，θi值为0℃a≤θi＜10℃a。

电控器还与故障诊断器相连，获取故障诊断信号(l)，电控器可以根据故障诊断信号(l)实时监测气体燃料喷射器有无泄漏等问题发生。

本发明的工作原理：

将本发明提供的一种缸内直喷的气体燃料喷射器上端进气口6与进气管道相连，下端喷射口7与气缸相连，插接器13与电控器相连；电控器另一端分别与发动机的油门踏板位置传感器、发动机转速传感器、进气歧管绝对压力传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器、曲轴转角传感器、上止点位置传感器、节气门开度传感器、爆震传感器、气体燃料压力传感器和气体燃料温度传感器相连，分别获取发动机的油门踏板位置信号(a)、发动机转速信号(b)、进气歧管绝对压力信号(c)、冷却液温度信号(d)、进气温度信号(e)、曲轴转角信号(f)、上止点位置信号(g)、节气门开度信号(h)、爆震信号(i)、气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)，通过油门踏板位置信号(a)判断发动机的运行工况，根据发动机转速信号(b)和进气歧管绝对压力信号(c)决定喷射脉宽的基本值，根据冷却液温度信号(d)、进气温度信号(e)、气体燃料压力信号(j)和气体燃料温度信号(k)对喷射脉宽的基本值进行修正，得出喷射脉宽的实际值；根据曲轴转角信号(f)和上止点位置信号(g)确定喷射时刻基本值，根据爆震信号(i)对喷射时刻的基本值进行修正，得到喷射时刻的实际值；

将得出的喷射脉宽的实际值和喷射时刻的实际值转换为气体燃料喷射控制信号，以驱动电流的形式输出至插接器13，电磁线圈15接收到驱动电流后产生电磁力，使衔铁14克服回位弹簧18及气体燃料背压带动针阀3向上运动，针阀3向上运动使下端柱塞9脱离喷射口7，气体燃料流经气体通道8从下端喷射口7喷出，进而使喷射器执行相应的喷射脉宽和喷射时刻以实现所要求的控制。

喷嘴体2内设置充满冷却介质的环形空腔10，及与空腔10串联的散热回路4，当所述散热回路4的散热回路温度传感器19监测散热回路4平均温度高于预设最高温度时，所述散热器12和循环泵11开始工作，对喷嘴体2进行散热；当散热回路4平均温度低于预设最高温度时，散热器12和循环泵11停止工作。