一种油气两用喷嘴的制作方法

本发明属于动力机械中发动机结构部件装置技术领域，具体涉及一种油气两用喷嘴，既可以喷射压缩空气为发动机提供动力，也可以喷射燃油来提供动力，根据发动机的工况在两种能量间进行切换。

背景技术：

随着汽车工业的迅猛发展，汽车产业产销逐年递增，推动了全球经济的发展。但是，目前绝大多数汽车使用的是内燃机作为动力，内燃机消耗大量石油、天然气等宝贵的不可再生能源，目前全世界正面临能源短缺甚至即将枯竭的可怕局面。同时，内燃机使用的燃料燃烧后，将产生大量的有害气体，这些有害气体会对环境造成污染，也会导致地球温室效应。

目前，在汽车工业中广泛采用混合的动力模式来达到节能减排的目的，混合动力一般指装有电力驱动系统和内燃机的复合动力，在保持高速和足够续航里程行驶方面突破了纯电动动力的限制，同时燃油经济性也得到提高，降低尾气排放。但其动力系统包括两套动力装置，驱动和控制系统较为复杂，造价高。

近年来，随着气动发动机技术的发展和逐步成熟，空气动力汽车作为一种新型的新能源汽车，逐渐被人们所熟知。其原理是将压缩空气储存在高压气罐中，高压的压缩空气通过减压到合适的发动机工作压力，通过喷气嘴供给气动发动机工作。其工作介质来源于大气，排放的尾气是纯净的空气，对环境没有任何污染。空气动力汽车具有突出的优点，同时也具有一定的不足之处。压缩空气相对于汽油来说能力密度低，为保证足够的续航里程，需要提供足够多的高压罐来存储压缩空气，故其不适合长途行驶。

喷油嘴和喷气嘴的高压喷射方式是目前国内外内燃机和气动发动机的主要介质供给方式，进气道喷射发动机的工作模式是将工作介质喷射到进气道中，通过活塞运动使气缸中产生的负压将进气道中的油气混合气吸入到气缸中进行工作。汽车的喷嘴是通过电磁阀控制，当电磁阀通电时，喷嘴开始工作，此时由于磁场作用产生吸力使复位弹簧上电工作，喷嘴的针阀或喷口被打开，从而使工作介质通过喷口喷出。喷嘴的通电、断电由电控单元以电脉冲控制。

综上所述，在现有技术中，无论是传统内燃机发动机、油电混合动力还是空气动力发动机，都有各自的优点和缺点。因此，迫切需要一种兼顾节能环保和结构简单的介质供给系统，油气两用喷嘴正好能满足这种需要。

在国内外现有的技术中，申请人未发现这种油气两用喷嘴。对相近技术现有专利进行检索时发现，申请日期为2011.08.31，专利号为201110254140.8的中国专利文献公开了一种汽车发动机上使用的油气混合喷油嘴，在该专利技术方案中主要通过优化喷嘴主体结构使液体燃料雾化成气体燃料喷出时就能实现一次雾化燃料与空气的混合，达到燃烧彻底和节能减排的效果；此发明虽然与传动喷油嘴相比效果更好，但仍然没有从根本上解决气体和燃油供给之间切换的问题。申请日期为2009.05.07，申请号为200920131562.41562.4的中国专利文献《喷气嘴、喷气系统及机动车》公开了一种喷气嘴，该喷气嘴用于喷射高压空气来驱动发动机工作，即使长时间工作，喷气嘴也不会因温度太冷而冷凝结冰，能使喷气嘴、高压气体发动机和机动车持续稳定的工作；该专利技术方案只以高压气体为工作介质，并不涉及燃油的供给，仍然没有完全解决空气动力汽车续航和长途行驶的问题。申请日期为2013.03.28，申请号为201320146073.2的中国专利文献《油气共用喷嘴的发动机》公开了一种油气共用喷嘴，该技术把进气门用油气共用喷嘴替代，能够实现发动机所需要的燃料和空气油气直喷入气缸，其制造运行成本低，有效地简化发动机气缸结构；但其只是对实物的一种假设改进，并没有涉及到喷嘴的内部结构和工作原理如何去实现，只能作为理论上的参考，意义不大。

鉴于上述存在的种种问题以及国家对新能源产业的大力扶持，亟需开发出一款适合传统内燃机且综合燃油和空气动力各自优点的两用喷嘴。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构简单合理，燃油作为主介质、高压空气作为辅助介质的油气两用喷嘴，可实现节能减排，减低成本的油气混合喷嘴，其效果优于涡轮增压的效果。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的油气两用喷嘴，其主要由燃油喷射系统和压缩空气喷射系统组成，其工作介质分别是燃油和压缩空气；当发动机的转速不高、负载不大或油量不足的情况下，不喷射燃油，即燃油喷射系统处于断路状态不参与工作，压缩空气作为辅助介质开始工作，这时喷嘴体喷射的是压缩空气；当喷嘴体需要喷射燃油时，压缩空气入口电磁线圈断电，压缩空气系统则处于断路状态，阀芯电磁线圈通电，燃油喷射系统进入工作状态。

所述的燃油喷射系统和压缩空气喷射系统，共用一个喷嘴体，该喷嘴体头部呈内外两层结构，内部是平衡式提动阀杆的阀芯，其结构是整体贯通的，可形成喷气口，外部是喷油针及滚珠。

所述的喷嘴体具有多个喷油孔以及1个喷气口，每个喷油孔对应有1个喷油针和1个滚珠；所述喷油针和滚珠，它们相对于喷嘴体的中轴线按360°的圆弧对称分布，利用喷油针可通过喷油孔实现燃油的喷射；在喷油孔的上部和滚珠的下部均设有密封座。

所述的喷嘴体具有喷油腔和喷油道，燃油通过油管流通到喷油腔中，喷油腔通过喷油道将燃油通入喷油孔中。

所述的喷嘴体具有喷油针控制件，该喷油针控制件包括油环、喷油针控制弹簧、阀杆导向套和平衡式提动阀杆；所述喷油针控制弹簧，其一端靠在弹性垫圈上，其另一端靠在阀杆导向套上，其弹力控制喷油针和滚珠的开闭，该弹力由轴端挡圈和止挡套筒止挡；弹性垫圈支撑在轴端挡圈和止挡套筒上；平衡式提动阀杆依次同心的穿过弹性垫圈、油环以及阀杆导向套，在其反方向上连接有压缩空气流道。

所述的平衡式提动阀杆，其内部空腔设有油管，二者间隙供压缩气体的流动。

所述的压缩空气喷射系统，其设有压缩空气入口、燃油入口以及压力腔，压缩空气入口和燃油入口均设置在喷嘴体的头部，即远离进气道的一端，压缩空气入口与压力腔连通，燃油通过燃油入口进入到喷嘴体中，压缩空气通过压缩空气入口进入到喷嘴体中。

所述的压力腔，其设有压缩空气入口弹簧、压缩空气入口电磁线圈以及压缩空气入口衔铁，其中：压缩空气入口弹簧在喷气方向上通过压缩空气入口电磁线圈驱动压缩空气入口衔铁8的开闭，从而控制压缩空气流道中压缩空气的流入。

本发明提供的上述的油气两用喷嘴，其在内燃机发动机、气动发动机、油电混合发动机中的应用。

本发明应用时，其装在所述发动机进气歧管喷油嘴的位置。

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1.由于采用了新型结构，使得喷嘴不仅可以喷出雾化的油，还可以实现压缩空气的柱状喷射，且能保证稳定的流量，达到控制精确的目的。

2.用一个喷嘴实现了两种介质的喷射，并能在两种介质中任意切换，有效地简化发动机气缸的结构，同时这对节能减排以及降低燃油消耗率方面都有重大的现实意义。

3.结构简单、实用：

由于普通进气歧管结构复杂，与发动机气缸体装配后预留的安装空间非常小，故不宜将压缩空气喷嘴和燃油喷嘴分开安装，这样会占用进气歧管的空间且不能将压缩空气或燃油顺利直接喷射到进气门上方。本发明中，将压缩空气喷嘴和燃油喷嘴设计成一体形成油气两用喷嘴，只需把原进气歧管做简单改进，将油气两用喷嘴安装在原喷油器的位置上，不需要对进气歧管的设计做大的修改，既拆装方便，节约了开发成本，又提高了发动机的工作效率。

4.能够用压缩空气对内燃机的燃烧动力进行补充，其经济效益和社会效益显著，效果优于涡轮增压发动机。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为油气两用喷嘴部分的结构示意图。

图3为油气两用喷嘴部分的俯视图。

图中：1.油气两用喷嘴；2.喷嘴体；3.压缩空气入口；4.电接头；5.油管；6.压缩空气入口弹簧；7.压缩空气入口电磁线圈；8.压缩空气入口衔铁；9.喷油针控制件；10.油环；11.喷油针控制弹簧；12.喷油腔；13.喷油道；14.喷油针；15.滚珠；16.密封座；17.喷油孔；18.中轴线；19.进气道；20.喷气口；21.喷气方向；22.喷油方向；23.阀杆导向套；24.平衡式提动阀杆；25.阀芯电磁线圈；26.弹性垫圈；27.阀杆行程；28.轴端挡圈；29.止挡套筒；30.压缩空气流道；31.压缩空气入口弹簧座；32.压力腔；33.进油管；34.滤网；35.燃油入口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步阐述，但不限定本发明。

本发明提供的油气两用喷嘴1，其结构如图1所示，主要由两部分系统组成，第一部分是燃油喷射系统，第二部分是压缩空气喷射系统。两个系统的工作介质分别是燃油和压缩空气，当发动机转速较高、负载大的情况下，燃油喷射系统参与工作，压缩空气喷射系统处于断路状态不参与工作，这时与普通内燃机一样，喷嘴喷射的是燃油。

在燃油喷射系统中，其具有一个喷嘴体2。

所述的喷嘴体2，包括4个喷油孔17以及1个喷气口20。每个喷油孔17对应有1个喷油针14和滚珠15。根据图3所示，4个喷油孔17相对于喷嘴体2的中轴线18按360°的圆弧对称分布，以实现最佳的喷雾效果。通过喷油孔17和喷气口20，使压缩空气和燃油将被喷射到进气道19中，该进气道19位于发动机气缸燃烧室上方。

所述的喷油针14和滚珠15是组合成一体的，它们打开和关闭的运动方向是一致的。

所述的喷嘴体2，还包括密封座16，且喷油针14的行程可调节，密封座16位于喷油孔17的上部和滚珠15的下部。

该燃油喷射系统还包括喷油腔12和喷油道13，燃油通过油管5流通到喷油腔12中。喷油腔12通过喷油道13将燃油通入喷油孔17。

进一步的，在燃油喷射系统中，还设有喷油针控制件9，其设置在喷嘴体2的中间部位，其头部一端是喷油针，另一端靠在弹性垫圈26上。所述喷油针控制件9，从行程调节的角度来看，其包括喷油针14、油环10以及阀杆导向套23；从结构组成的角度来看，其包括油环10、喷油针控制弹簧11以及平衡式提动阀杆24，其可对喷油针14和滚珠15的开闭进行控制，调节燃油的喷射状态。喷油针14、油环10以及阀杆导向套23作为一个整体在喷油针控制件9中没有使用任何轴向或周向固定措施，仅依靠轴向端面彼此贴近靠置。喷油针14由喷油针控制弹簧11的弹力来控制其开闭。喷油针控制弹簧11的一端靠在弹性垫圈26上，另一端靠在阀杆导向套23上。弹性垫圈26支撑在轴端挡圈28和止挡套筒29上，轴端挡圈28和止挡套筒29对喷油针控制弹簧11的弹力可以起到止挡的作用。轴端挡圈28与喷嘴体2可加工成一体或采用某种固定的方式相连接。

所述喷油针控制弹簧11在中轴线18的轴向方向控制喷油针14和滚珠15的开闭，同时也间接驱动轴环10和阀杆导向套23，控制着油环10或者阀杆导向套23与止挡套筒29之间的阀杆行程27。

更进一步的，平衡式提动阀杆24的内部是空腔结构，油管5设置在平衡式提动阀杆24内部的空腔中，且油管5与平衡式提动阀杆24是同轴的，且油管直径远小于平衡式提动阀杆24的直径，故不影响压缩气体的流动。平衡式提动阀杆24沿箭头表示的喷气方向21上依次同心的穿过弹性垫圈26、油环10以及阀杆导向套23，在其反方向上连接有压缩空气流道30。借助于该平衡式提动阀杆24可将压缩空气通过喷气口20喷至进气道19。

更进一步的，在喷油针14闭合的情况下轴端挡圈28支撑在弹性垫圈26上，这可以看成是未喷油状态各部件的初始位置。此时，在弹性垫圈26与轴端挡圈28或止挡套筒29之间形成了一个阀杆行程27，该阀杆行程27是通过止挡套筒29与油环10的彼此相对的轴向端面之间的轴向距离来实现的。该阀杆行程表示喷油针14和滚珠15的升程约为0.15mm。其中，喷油针14和滚珠15提动一次时间在2ms—10ms范围内，打开时间长喷油量大，打开时间短喷油量少，这根据汽车发动机的转速情况需要不同的喷油量大小而定。

本发明中，阀芯电磁线圈25用于控制阀杆行程27，即控制喷油针14的开启和闭合。

此外，燃油通过燃油入口35注入到进油管33中，在进油管33的进口处设置有滤网34。进油管33沿中轴线18方向的部分同轴的设置在压缩空气入口衔铁8中，且压缩空气入口衔铁8的工作不影响系统的正常供油。燃油顺着喷油方向22被分别引入到各喷油腔12中，再通过喷油孔17喷射到进气道19中。

本发明的喷嘴体2设置有压缩空气喷射系统，在压缩空气喷射系统中设置有压缩空气入口3、燃油入口35以及压力腔32，压缩空气入口3与压力腔32连通。压缩空气喷射过程的空气压力约为3MPa，构成压缩空气喷射系统且与高压空气直接接触的元件：压缩空气入口3、压缩空气入口弹簧6、压缩空气入口衔铁8、喷气口20、平衡式提动阀杆24以及压缩空气流道30均采用耐高压的材料(如碳纤维)制造。燃油通过燃油入口35进入到喷嘴体2中，压缩空气通过压缩空气入口3进入到喷嘴体2中。

所述的喷油针控制弹簧11和压缩空气入口弹簧6，其分别通过压缩空气入口电磁线圈7和阀芯电磁线圈25的上电情况来控制喷油和喷气的时刻，两个电磁线圈都是通过电接头4通电时传来的电流信号来分别驱动的，电接头4装在喷嘴体2的进气端一侧，且位于喷嘴体2的侧面。

所述的喷嘴体2还设置有压缩空气流道30，其端部设计成楔形的结构，楔形口的直径与压缩空气入口衔铁8的直径相通。压缩空气流道30同轴的设置在压缩空气入口弹簧座31中，压缩空气入口弹簧座31的一端靠在轴端挡圈28上，另一端靠在压力腔32的外壁，用于承受压缩空气入口弹簧6工作时所产生的弹力。压力腔32中布置有压缩空气入口弹簧6、压缩空气入口电磁线圈7以及压缩空气入口衔铁8，它们彼此这样的工作着：当压缩空气入口电磁线圈7上电后，压缩空气入口弹簧6的弹力将压缩空气入口衔铁8打开，此时压缩空气顺利通过压缩空气流道30的楔形口进入到流道中。压缩空气入口电磁线圈7属于高频电磁控制，使得压缩空气入口衔铁8打开和闭合的时间在2ms-5ms范围内。

本发明中的电接头4通电时传来电流信号可分别对压缩空气入口电磁线圈7和阀芯电磁线圈25进行单独控制，从而分别对喷油和喷气的开启和关闭时刻进行控制。

本发明提供的油气两用喷嘴，其工作介质是压缩空气和燃油，当发动机的转速不高、负载不大或油量不足的情况下，不喷射燃油，即燃油喷射系统处于断路状态不参与工作，压缩空气作为辅助介质开始工作，这时油气两用喷嘴1喷射的是压缩空气；当油气两用喷嘴1需要喷射燃油时，压缩空气入口电磁线圈7断电，压缩空气喷射系统则处于断路状态，阀芯电磁线圈25通电，燃油喷射系统的相关部件进入工作状态。其具体工作过程如下：

在这里所示出的初始状态中，压缩空气入口电磁线圈7和阀芯电磁线圈25均处于断电状态，此时不进行介质喷射。

当燃油作为发动机的工作介质时，需要通过4个喷油孔17将燃油喷入进气道19。为实现4个喷油孔17的燃油喷射，高压燃油通过燃油入口35进入喷嘴，燃油入口35内部设有置有滤网34，用于过滤燃油中的杂质和沉淀。平衡式提动阀杆24与钢球15和喷油针14是组合成一体，当电接头4通电传来电流信号时，使阀芯电磁线圈25上电而产生电磁作用力，该作用力迫使喷油针控制弹簧11被压缩，该弹力作用在喷油方向22的反方向上，使得平衡式提动阀杆24、滚珠15以及喷油针14从密封座16上升起。所述的4个喷油孔17与喷油腔12、喷油道13是连通的，燃油可通过喷油腔12和喷油道13从喷油孔17喷入到进气道19中。

喷油针14升起方向的限位可通过轴端挡圈28或止挡套筒29的端部来实现，该限位设计在止挡套筒29与油环10之间，即限位行程通过阀杆行程27来表现。

当压缩空气作为发动机的工作介质时，压缩空气通过压缩空气入口3进入喷嘴体2，在喷嘴体内有一个压缩空气入口电磁线圈7，压缩空气入口弹簧6与压缩空气入口衔铁8组合成一体。当电接头4通电传来电流信号时，使压缩空气入口电磁线圈7上电而产生电磁作用力，该作用力迫使压缩空气入口弹簧6被压缩，将压缩空气入口衔铁8打开，使压缩空气顺利进入到压缩空气流道30中，接着进入到平衡式提动阀杆24内部的空腔中，并顺着喷气方向21通过喷气口20喷至进气道19。当压缩空气入口电磁线圈7断电时，压缩空气入口弹簧6在自身的弹性力的作用下回位，压缩空气入口衔铁8恢复到进气前的位置，此时便停止供气。

喷气口20的直径约为10mm，压缩空气喷射系统不仅需保证喷气的压力为稳定的3MPa，而且要保证稳定的喷气流量约为400g/s，在设计中期望的是：压缩空气入口衔铁8及喷油针14、滚珠15在开闭时间上几乎没有延迟，能够获得极其快的开闭速度。

前述中，如图2所示，喷嘴体2的头部呈内外两层结构，内部是平衡式提动阀杆24的阀芯，其结构是整体贯通的，可形成喷气口20，外部是喷油针14及滚珠15。

当需要结束喷射时，阀芯电磁线圈25或者压缩空气入口电磁线圈7断电，喷油针控制弹簧11或者压缩空气入口弹簧6在打开方向上的作用力消失，瞬间切断油路或者气路，则各部件回到未工作状态时的初始位置。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。