超雾化氨燃料高压共轨喷射系统

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系统。


背景技术：

2.面对日益严峻的能源危机和环境污染等问题，船舶航运业能源消耗高、环境污染严重的问题急需解决，节能减排、绿色发展的背景下，具有良好的经济性、排放性、操纵性、舒适性等优势使得氨燃料动力系统成为当前船舶技术研究的前沿。同时国际海事组织(imo)和各个国家都出台了相应的政策和法规来严格限制船舶排放，imo开始计划控制更为棘手的航运温室气体的排放，脱碳目标为：相较于2008年，规定到2030年，每一运输单位的二氧化碳排放量减少40％，到2050年减少70％，将逐步朝着零碳目标迈进。在此背景下，氨燃料动力系统的开发和低碳能源的应用尤为重要。
3.燃料供给与喷射的稳定性影响船舶发动机的动力性、经济性和排放一致性。由于低碳燃料供给与喷射系统的快速响应、高控制精度工作要求，如何实现多相复杂流动条件下的燃料精确供给及微量喷射精准控制，突破高低压系统耦合与解耦技术，掌握燃料供给与喷射控制方法，是低碳燃料供给与喷射系统稳定控制的关键技术之一。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供为液氨作为燃料应用于发动机中提供一个可实施路径的超雾化氨燃料高压共轨喷射系统。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明超雾化氨燃料高压共轨喷射系统，其特征是：包括喷射器、液氨共轨管、燃油共轨管、油箱、液氨储存箱、泵氨系统、分流系统、进出氨系统，燃油共轨管分别连接喷射器和油箱，泵氨系统包括液氨储存分流器、低压泵、高压泵，分流系统包括储存罐、进氨控制阀、安全阀、出氨控制阀，液氨储存罐的出口依次连接低压泵、高压泵、液氨储存分流器、储存罐、进氨控制阀，进氨控制阀通过进氨管连接液氨共轨管，液氨储存罐的进口依次连接回氨控制阀、安全阀，安全阀通过回氨管连接喷射器。
7.本发明还可以包括：
8.1、所述喷射器为超雾化氨燃料喷射器，超雾化氨燃料喷射器包括喷油器体、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。
9.2、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。
10.3、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。
11.4、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。
12.5、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。
13.6、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。
14.7、当采用无增压模式工作时，增压模块不通电，由于此时增压活塞各个作用面的压力平衡，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。
15.8、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。
16.本发明的优势在于：
17.1、以低压储存罐作为媒介，实现液态氨的安全性贮藏。
18.2、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。
19.3、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。
20.4、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。
21.5、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。
22.6、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
23.图1为本发明的整体结构示意图；
24.图2为液氨供给系统结构示意图；
25.图3为超雾化氨燃料喷射器的结构示意图；
26.图4为增压模块结构示意图；
27.图5为蓄压腔热管理模块结构示意图；
28.图6为谐振块结构示意图；
29.图7为超磁致电磁控制执行器结构示意图；
30.图8为相变可控超雾化喷嘴模块结构示意图；
31.图9为相变可控超雾化喷嘴模块三维结构剖面示意图；
32.图10为相变可控超雾化喷嘴模块三维结构整体示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
34.结合图1-10，图1为本发明整体结构示意图，燃油供给系统包括油箱7、滤清器6、高压油泵及电机4、燃油共轨管9、流量限制器10、高压油管3和11、超雾化氨燃料喷射器12构成，共轨管9右端分别与高压油泵4、滤器6和油箱7连通，共轨管9上开有多个液压油出口，出口上连接流量限制器10，保障异常工况时及时关闭，减小损失。流量限制器10的个数根据内燃机气缸的个数确定，流量限制器10通过高压油管11与喷油器12相连通。
35.图2为液氨供给系统详细示意图，主要包括液氨储存罐17、泵氨系统19、分流系统18、进出氨系统16、进氨管13、回氨管14、液氨共轨管1、高压油管2、分流器8。泵氨系统19由低压泵及电机20、高压泵及电机21、溢流阀20、安全阀23、温度控制器24、液氨储存分流器34、储存罐26、控制阀27、进氨口28、回氨口29、安全阀32、控制阀33。
36.图3为本发明整体结构示意图，超超雾化氨燃料喷射器，包括单向进氨口35、增压模块36、喷油器体37、蓄压腔热管理模块38、蓄压谐振限流模块39、进氨管路40、超磁致电磁控制执行器41、喷嘴热管理模块42及相变可控超雾化喷嘴模块43。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4为喷射器增压模块详细示意图，增压模块包括：磁轭44、复位弹簧45、主副磁极46、线圈47、回氨通道48、增压活塞上表面49、中间腔50、增压活塞复位弹簧51、衔铁52、限位块53、阀杆复位弹簧54、双密封阀杆55、进氨通道56、中间管路57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。
38.图5为蓄压谐振限流模块示意图，主要包括：蓄压腔59、液冷管入口60、谐振块61、中间块62、复位弹簧63、进油孔64、棱形密封块65、限流活塞66、进氨道67、储存腔68、谐振块进氨路69、中间腔70、谐振块进氨路节流孔71、阀座72、中间孔73和复位弹簧74；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6为谐振块示意图，主要包括：一号进氨路75、一号进氨节流孔76、二号进氨节流孔77、一号进氨腔78、一号出氨路79、二号进氨路80、二号进氨腔81、连通孔82以及二号出氨路83。
40.图7为超磁致电磁控制执行器示意图，主要包括：主副磁极84、线圈85、磁滞座86、上阀杆87、复位弹簧88、阀杆中间腔89、缓冲腔90、进回油孔91、复位弹簧92、超磁滞材料93、限位块94、进油油路95、回油油路96、下端锥阀97、菌状阀98以及回油油道99。
41.图8为相变可控超雾化喷嘴模块示意图，主要包括：进氨管路100、储氨腔101、无静态泄漏缸102、复位弹簧103、垫片104、液冷工质入口管路105、阀座106、控制腔107、控制阀杆上端面108、液冷工质出口管路109、针阀体110、针阀密封面111、喷射流道112以及喷嘴体113组成。
42.液氨储存罐17储存着系统的燃料，采用高压低温储存方式，保证氨燃料处于稳定的液态。液氨储存罐17中储存的液氨先经过泵氨系统19，由低压泵和高压泵实现液氨增压，满足供给和燃烧的要求。其中，在低压环路和高压环路分别设置溢流阀20和安全阀23。在低压环路设置溢流阀22来控制输送压力，当压力过高时，多余的液氨通过溢流阀22回到液氨储存罐17中。在高压环路设置安全阀23来控制高压燃料输送压力，通过主动控制来调整输出压力，多余的液氨通过安全阀23回到液氨储存罐17中。对于液氨这种容易相变的燃料，需要设置热管理模块，温度控制器24用来调整液氨输出的温度，通过压力和温度两方面控制氨燃料的相态。随后燃料进入液氨储存分流器34，通过双阀和双容腔的综合控制，保证燃料的稳定供给，随后通过储存罐26、控制阀27供入进氨口28，进而导入液氨共轨管1。液氨共轨管1内的液氨通过高压油管2供给到超雾化氨燃料喷射器12，通过喷射器内电磁阀控制，随
后向气缸内喷射。
43.油箱7储存着系统中作为增压和喷射控制的柴油，高压油泵4从油箱7中吸取燃油，在高压油泵4和油箱7之间设置有滤器6，燃油通过滤器6得到过滤。而后燃油被输送到共轨管9，共轨管9上开有多个液压油出口10，每个液压油出口10都通过高压油管11与喷油器12相连通，通过喷油器内电磁阀控制，随后向气缸内喷射。柴油和液氨分别供入超雾化氨燃料喷射器12。系统运行过程中，多余柴油通过回油管路5回到油箱7中。多余的液氨通过回氨管14和控制阀27返回储氨罐中。
44.液态氨燃料由单向进氨口35进入蓄压腔59中，单向进氨口35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35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59后，经由谐振块61向下供给。
45.由图6可知，谐振块61由三个管路75、80和83组成。燃料分别从三个管路流入限流器内，一号进氨路75为主流道，中间流过一号进氨节流孔76，对液氨流动起到滤波的作用，随后流入一号进氨腔78中。二号进氨路80为副流道，中间未设置节流孔，通过二号进氨腔81和二号出氨路83后，直接流入限流器。而二号进氨节流孔77和连通孔82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59设置在喷油器体37内部。中间块62不仅对整体限流阀组件起到了限位作用，而且与复位弹簧63进行配合，一方面作为复位弹簧63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65和限流活塞66的下端面和支撑控制阀座72的上端面配合。阀座72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70中，分别通过进油孔64和谐振块进氨路节流孔71流道限流阀中。受液压力的作用，随着液氨供给，棱形密封块65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65与阀座72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65快速复位。
46.经过限流器，液氨由进氨道100供入储氨腔101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91流入电磁执行器，当未通电时，受到弹簧预紧力88、92的作用，菌状阀98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97处于开通状态，柴油由进油油路91，经过下端锥阀97流道，向控制腔107供给。其中通过进回油孔91和缓冲腔90，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107中，被无静态泄漏缸102和针阀体110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：
47.当采用无增压模式工作时，增压控制阀部分36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51、54的作用衔铁52及双密封阀杆55处于压紧状态，进油油路56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35后储存在蓄压腔59中，经过谐振腔
流入限流阀内。由于谐振块61对液氨的节流作用，使得限流活塞66内的活塞盲孔73和蓄压腔59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66和棱形密封块65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供入储氨腔101中。当超磁致电磁控制执行器41通电时，受到磁场的影响，超磁致材料93伸长，磁滞座86压迫上阀杆87向下运动，使上阀杆87和下端锥阀97形成的阀杆中间腔89的压力升高，下端锥阀97受到压力作用向下运动，进而菌状阀98克服复位弹簧92的弹力向下运动。此时下端锥阀97下端的锥面密闭，使进油管路95被切断，同时菌状阀98上部的锥面密封打开，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油箱内。当控制腔107内的压力和针阀弹簧103的弹力形成的合力小于储氨腔101内向上的液压力时，针阀110向上抬起，喷孔112打开，喷射器开始喷氨。当喷氨控制阀部分41断电时，失去磁场影响，超磁致材料93缩短，阀杆87在弹簧力作用下落座，在将低压泄漏孔92关闭的同时打开进氨管路95，控制腔107通过进回油孔91重新建压，当控制腔107内的压力和针阀弹簧103的弹力形成的合力大于储氨腔101内向上的液压力时，针阀110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73，限流活塞66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66和棱形密封块65整体又恢复到初始位置。
48.当采用增压模式工作时，增压控制阀部分36通电，线圈47通电，主副磁极46形成电磁力，吸引衔铁52向上运动，同时带动双密封阀杆55向上运动，打开进氨通道56，关闭回氨通道48。液氨聚集在增压活塞上表面49，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50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68流入限流阀内。经过限流阀的液氨由管道供入储氨腔68中。当超磁致电磁控制执行器41通电时，超磁致材料93伸长，磁滞座86压迫上阀杆87向下运动，进而菌状阀98克服复位弹簧92的弹力向下运动。此时下端锥阀97下端的锥面密闭，使进氨管路95被切断，同时菌状阀98上部的锥面密封打开，控制腔107与低压泄漏孔99相连通，控制腔107内的燃料通过低压泄油孔99流回到油箱内。当控制腔107内的压力和针阀弹簧103的弹力形成的合力小于储氨腔101内向上的液压力时，针阀110向上抬起，喷孔112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39断电时，失去磁场影响，超磁致材料93缩短，阀杆87在弹簧力作用下落座，控制腔107通过进回油孔91重新建压，当控制腔107内的压力和针阀弹簧92的弹力形成的合力大于储氨腔101内向上的液压力时，针阀110重新落座，喷射器停止喷射。
49.图9、10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。
50.有上述描述可知，本发明以低压储存罐作为媒介，实现液态氨的安全性贮藏。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。