CN110953106A - 点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及重油发动机气辅助燃油供给技术领域，具体公开了一种点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***及方法，其中***包括：由重油油箱、油泵、溢流调压阀的进油侧管路相互串联组成进油回路，与溢流调压阀的进气侧管路连接的气泵，进口与溢流调压阀的出油管路连接的重油计量喷射阀，两个进口分别与重油计量喷射阀的出口和所述溢流调压阀的出气管路连接的油气混合轨，进口与油气混合轨的出口连接的辅助气计量喷射阀，辅助气计量喷射阀设有拉法尔喷射口，拉法尔喷射口连接发动机气缸体的燃烧室的顶部。该***能够将高粘度的重油雾化为非常小的颗粒，实现重油在二冲程发动机完成缸内直喷高效燃烧。

Description

点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***及方法
技术领域
本发明属于重油发动机气辅助燃油供给技术领域，特别涉及一种点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***及方法。
背景技术
20世纪80年代以来，无人机发展非常迅速，由于活塞发动机具有体积小、重量轻、升功率高、结构简单、操作维护方便等诸多优点，因此航空无人机绝大部分均采用小功率活塞发动机，而航空重油是指馏分在航空煤油与柴油之间的航空油料，该油料价格低廉、使用安全，因此，近年来航空无人发动机机均采用重油航空发动机。
现阶段的小功率航空重油活塞发动机基本上为两冲程，采用两冲程方式的原因是为了满足航空发动机的高功重比要求，且两冲程发动机本身结构简单，运动部件少，升功率密度大，重量也较小，符合无人机动力***的轻质高功重比要求。供油方式基本采用化油器的方式，但两冲程发动机采用化油器供油方式由于避免不了扫气过程的短路损失，必然导致油耗高经济性差，必然不能满足长航时的需求，除此之外，航空重油粘度大，雾化效果比汽油差，直接采用现有化油器基本上很难保证燃油可靠雾化和合理燃烧，因此，小功率航空活塞发动机中燃油喷射***实现最为困难，是小功率航空重油活塞发动机的技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***及方法，从而克服航空重油粘度大，采用现有燃油喷射***使重油雾化效果较差的缺陷。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，包括：重油油箱；油泵及溢流调压阀，所述重油油箱、油泵、溢流调压阀的进油侧管路相互串联组成进油回路；气泵，其与所述溢流调压阀的进气侧管路连接；重油计量喷射阀，其进口与所述溢流调压阀的出油管路连接；油气混合轨，其两个进口分别与所述重油计量喷射阀的出口和所述溢流调压阀的出气管路连接；辅助气计量喷射阀，其具有拉法尔喷射口，所述辅助气计量喷射阀的进口与所述油气混合轨的出口连接，拉法尔喷射口连接发动机气缸体的燃烧室的顶部。
优选的，上述技术方案中，所述重油计量喷射阀、辅助气计量喷射阀、燃烧室以上至下的顺序设置。
优选的，上述技术方案中，所述气泵(14)用于将进气气压提升至300KPa-800KPa。
优选的，上述技术方案中，所述油泵(2)用于将重油油压提升至高于气泵100KPa-400KPa。
优选的，上述技术方案中，所述重油计量喷射阀包括壳体、定磁杆体、电磁线圈架、电磁线圈、阀芯、阀座、导磁套、计量导流孔片、阀嘴套管及导流管，所述定磁杆体、导磁套以上至下依次安装于所述壳体内，所述阀芯、阀座、计量导流孔片、阀嘴套管由上至下依次安装于所述导磁套内，所述电磁线圈架装配于所述定磁杆体的外圆周上，所述电磁线圈缠绕于所述电磁线圈架上并设有延伸出所述壳体的电极，所述导流管固定于所述阀嘴套管上，所述阀芯与所述定磁杆体的内部设有中心流道，所述阀芯与阀座之间配置有密封钢珠，所述定磁杆体与所述阀芯之间间隙设置且两者之间设有锁紧弹簧以锁紧所述阀芯。
优选的，上述技术方案中，所述定磁杆体与所述电磁线圈架之间、所述电磁线圈架与所述导磁套之间均设有O型密封圈。
优选的，上述技术方案中，所述导流管由两段形成0-180°夹角的子导流管组成
优选的，上述技术方案中，所述辅助气计量喷射阀包括保护壳体、电极片、导磁盖、衔铁、定磁铁芯、阀座、阀芯、导磁套、线架、电磁线圈和阀芯连杆，所述导磁盖和导磁套间隔设于所述保护壳体内，所述衔铁、定磁铁芯、阀座由上至下依次设置于由所述导磁盖和导磁套之间形成的安装通道内，所述衔铁和定磁铁芯之间间隙设置且两者之间配置有锁紧弹簧，所述线架设于所述定磁铁芯的外圆周表面，所述电磁线圈设有延伸出所述保护壳体的电极片，所述阀座前端的内部设有直线扩气段和连接直线扩气段的所述锥形喷射口，所述阀芯设于所述锥形喷射口内，呈管状的所述阀芯连杆设于由所述衔铁、定磁铁芯、阀座的内部组成的中心腔道内，且所述阀芯连杆的两端分别连接所述衔铁和所述阀芯，所述阀芯连杆的喷射孔对应所述直线扩气段。
优选的，上述技术方案中，所述导磁盖与所述线架之间、所述线架与所述导磁套之间均设有O型密封圈。
为实现上述目的，另一方面，本发明提供了一种采用点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***的气辅助燃油供给方法，具体包括：
1)所述气泵将进气气压提升至300KPa-800KPa，所述油泵将所述重油油压提升至高于所述气泵100KPa-400KPa，后输入所述溢流调压阀，由所述溢流调压阀调节重油油压和进气气压处于预定压力后继续输送；
2)当发动机气缸体活塞上升至气缸1/5至1/2高度时，控制所述重油计量喷射阀先打开0.1ms后打开所述辅助气计量喷射阀，所述重油计量喷射阀先关闭0.1ms后关闭所述辅助气计量喷射阀待，所述重油计量喷射阀和所述辅助气计量喷射阀打开的时间为0.1ms至0.5ms，使重油通过重油计量喷射阀后输入油气混合轨内与空气一并输入到所述辅助气计量喷射阀，通过所述辅助气计量喷射阀的拉法尔流道将重油雾化后喷入发动机燃烧室。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明中的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***及方法，应用拉法尔物理结构设计的辅助气计量喷射阀与重油计量喷射阀配合，匹配一定的气压和油压，将高粘度的重油雾化为非常小的颗粒，实现重油在二冲程发动机完成缸内直喷燃烧的应用。
2.本发明中辅助气计量喷射阀安装在二冲程发动机燃烧室顶部上，重油计量喷射阀、辅助气计量喷射阀与二冲程发动机燃烧室形成的缸内直喷燃烧方式的结构，该方式使重油雾化后垂直喷射进燃烧室内，使得燃烧效率更高。
附图说明
图1是本发明点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***的结构图。
图2是本发明重油计量喷射阀的结构图。
图3是本发明辅助气计量喷射阀的结构图。
图4是图3中局部Ⅰ的结构图。
图5是图3中局部Ⅱ的结构图。
主要附图标记说明：
1-重油油箱，2-油泵，3-重油计量喷射阀，301-导流管，302-阀嘴套管，303-计量导流孔片，304-阀座，305-阀芯，306-定磁杆体，307-O型密封圈，308-O型密封圈，309-壳体，310-电极，311-电磁线圈，312-O型密封圈，313-O型密封圈，314-导磁套，315-锁紧弹簧，316-电磁线圈架，317-密封钢珠；
4-辅助气计量喷射阀，401-导磁盖，402-O型密封圈，403-O型密封圈，404-线架，405-电磁线圈，406-导磁套，407-O型密封圈，408-O型密封圈，409-阀芯，410-阀座，411-定磁铁芯，412-衔铁，413-电极片，414-保护壳体，415-锁紧弹簧，416-阀芯连杆，417-气液混合流道，418-气液混合腔，419-拉法尔喷射嘴；
5-燃烧室，6-进气口，7-活塞，8-气缸体，9-排气口，10-颗粒，11-火花塞，12-油气混合轨，13-溢流调压阀，14-气泵。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1所示，该实施例中的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，包括重油油箱1、油泵2、溢流调压阀13、气泵14、重油计量喷射阀3、油气混合轨12及辅助气计量喷射阀4。重油油箱1、油泵2、溢流调压阀13的进油侧管路相互串联组成进油回路；气泵14与溢流调压阀13的进气侧管路连接；重油计量喷射阀3的进口与溢流调压阀13的出油管路连接；油气混合轨12的两个进口分别与重油计量喷射阀3的出口和溢流调压阀13的出气管路连接，优选如图1所示，油气混合轨12中进气的水平位置高于进油的水平位置，该设置能够使定量的重油能够被气流全部带入辅助气计量喷射阀4内；辅助气计量喷射阀4具有拉法尔喷射嘴418(具备拉法尔物理结构的喷射口)，辅助气计量喷射阀4的进口与油气混合轨12的出口连接，拉法尔喷射嘴418连接发动机气缸体8的燃烧室5的顶部，其中，重油计量喷射阀3、辅助气计量喷射阀4、燃烧室5以上至下的顺序设置，该方式使重油雾化成微小的颗粒10后垂直喷射进燃烧室5内，使得燃烧效率更高。
该***进行燃油供给时，具体控制原理如下：
气泵14将空气压缩升压到设定气压300KPa-800KPa，重油油泵2将重油压力高于气泵100KPa-400KPa后输入溢流调压阀13中；在溢流调压阀13的作用下，加在重油计量喷射阀3的背压将是一个非常精准的压力，完成燃油精准计量过程。
当发动机气缸体活塞上升至气缸1/5至1/2高度时，控制重油计量喷射阀先打开0.1ms后打开辅助气计量喷射阀，重油计量喷射阀先关闭0.1ms后关闭辅助气计量喷射阀，重油计量喷射阀和辅助气计量喷射阀打开的时间为0.1ms至0.5ms，具体的，重油计量喷射阀打开后，空气与输入到油气混合轨12的燃油混合，待辅助气体计量阀4打开后输入到其中，在辅助气体计量阀4中的拉法尔物理结构作用下，燃油搭载在3到5倍音速的超高速气体上，将获得极高的湍动能，湍动能在辅助气体计量阀4喷口释放，燃油将雾化为非常微小的颗粒并喷入二冲程发动机燃烧室5中，在火花塞11电弧高温作用下，将微小的颗粒的燃油与由进气口6进入并压缩的空气混合的气体点燃，其快速的燃烧形成***气流，推动活塞7做功，当活塞7往下运动到排气口9时，燃烧后的废气通过排气口9排出，同时进气口6打开，进入新鲜空气，在发动机曲轴惯性作用小，活塞往上运动，进入第二次循环，维持发动机不停的工作。
具体的，该实施例中公开一种具体数值的控制策略：气泵14将空气压缩升压到设定气压500KPa，重油油泵2将重油压力高于气泵200KPa后输入溢流调压阀13中。当发动机气缸体活塞上升至气缸1/2高度时，控制重油计量喷射阀先打开0.1ms后打开辅助气计量喷射阀，重油计量喷射阀先关闭0.1ms后关闭辅助气计量喷射阀，重油计量喷射阀和辅助气计量喷射阀打开的时间为0.3ms。
进一步参考图2，该实施例示出了一种重油计量喷射阀，该重油计量喷射阀3包括壳体309、定磁杆体306、电磁线圈架316、电磁线圈311、阀芯305、阀座304、导磁套314、计量导流孔片303、阀嘴套管302及导流管301，定磁杆体306、导磁套314以上至下依次安装于壳体309内，阀芯305、阀座304、计量导流孔片303、阀嘴套管302由上至下依次安装于导磁套314内，电磁线圈架316装配于定磁杆体306的外圆周上，电磁线圈311缠绕于电磁线圈架316上并设有延伸出壳体的电极310，导流管301固定于阀嘴套管302上，导流管优选301由两段形成0-180°夹角的子导流管组成，阀芯305与定磁杆体的内部设有中心流道，阀芯305与阀座304之间配置有密封钢珠317，定磁杆体306与阀芯305之间间隙设置且两者之间设有锁紧弹簧315以锁紧阀芯305，定磁杆体306与电磁线圈架316之间、电磁线圈架316与导磁套314之间均设有O型密封圈308、312。
该重油计量喷射阀的工作原理为：由电极310、驱动电磁线圈311组成电驱动回路；阀芯305、定磁杆体306、导磁套314等组成磁回路；当电驱动回路加上控制信号时，阀芯305克服锁紧弹簧315的弹力吸合，电磁阀打开；控制信号消失后，在锁紧弹簧315的弹力作用下，电磁阀关闭，完成整个电磁阀控制过程；阀芯305、锁紧弹簧316、阀座304等组成阀体结构，配合电磁回路完成流体控制；阀芯305、阀座304组成密封耦合件，精密计量结构，实现动态密封、不同流体计量输出；导流管301引导燃油流通，实现油束定量控制；O型密封圈307、O型密封圈308、O型密封圈312、O型密封圈313实现产品流体输入、输出及外部密封，流体通过导流计量孔片，在导流管的导向作用下，改变流体流向，在导流管约束下获得笔直光滑的油束。更有利于气体辅助喷射的雾化效果。使该结构的产品在大功率发动机上燃烧效率高，排放更优异。
进一步参考图3、图4和图5，该实施例示出了辅助气计量喷射阀4，该辅助气计量喷射阀4包括保护壳体414、电极片413、导磁盖401、衔铁412、定磁铁芯411、阀座410、阀芯409、导磁套406、线架404、电磁线圈405和阀芯连杆416，导磁盖401和导磁套406间隔设于保护壳体414内，衔铁412、定磁铁芯411、阀座410由上至下依次设置于由导磁盖401和导磁套406之间形成的安装通道内，衔铁412和定磁铁芯411之间间隙设置且两者之间配置有锁紧弹簧415，线架404设于定磁铁芯411的外圆周表面，电磁线圈405设有延伸出保护壳体414的电极片413，导磁盖401与线架404之间、线架404与导磁套406之间均设有O型密封圈403、407。阀座410前端的内部设有直线扩气段和连接直线扩气段的锥形喷射口，阀芯409设于锥形喷射口内，呈管状的阀芯连杆416设于由衔铁412、定磁铁芯411、阀座410的内部组成的中心腔道内，阀芯连杆416的内部为气液混合流道417，且阀芯连杆416的两端分别连接衔铁412和阀芯409，阀芯连杆416前端的喷射孔对应阀座410前端的直线扩气段以形成气液混合腔418，使得阀座的喷射口与阀芯连杆的喷射孔相互配合形成拉法尔喷嘴419。
具体的，由导磁盖401，导磁套406，定磁铁芯411，衔铁412组成磁回路；取消传统的以隔磁套管实现密封，在线架404上利用O型密封圈403，O型密封圈407起到密封作用。定磁铁芯411，衔铁412作为磁回路的唯一通道，有利提高经由定磁铁芯411，衔铁412的磁通密度，增大电磁力。该结构将有效提高电磁线圈的效率，降低能耗；提高电磁阀开闭的响应速度；有利于降低结构复杂度，减小体积，降低成本。由气液混合流道417，气液混合腔418，拉法尔喷射嘴419组成喷射流道，气体和液体经由气液混合流道417进入，在气液混合腔418内混合，在气体的紊流作用下，气、液两相流体充分混合。当在电磁信号导通时，拉法尔喷射嘴419打开，气、液两相混合流体经拉法尔喷射嘴419喷出，在拉瓦尔管结构效应作用下产生超高速流体，形成极小的雾化颗粒；此效果十分有利于提高重油的雾化燃烧效率，提高燃烧稳定性，实现节能降排放的效果。
该辅助气计量喷射阀的工作原理为：电极片413、电磁线圈5、线圈架4组成电驱动回路；导磁盖401、衔铁412、导磁套406、定磁铁芯411等组成磁回路；当电驱动回路加上控制信号时，衔铁412克服锁紧弹簧415弹力吸合，电磁阀打开；控制信号消失后，在锁紧弹簧415的弹力作用下，电磁阀关闭，完成整个电磁阀控制过程；衔铁412、锁紧弹簧415、阀芯409、阀座410等组成阀体结构，配合电磁回路完成流体控制；阀芯409、阀座410组成密封耦合件，雾化结构、精密计量结构，实现动态密封、不同流体计量输出及雾化；导磁盖401引导气流输入，实现液体、气体初始混合；O型密封圈403、O型密封圈407、O型密封圈402、O型密封圈408、定磁铁芯411、衔铁412等组成流道结构，实现产品流体输入、输出及外部密封。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，包括：
重油油箱(1)；
油泵(2)及溢流调压阀(13)，所述重油油箱(1)、油泵(2)、溢流调压阀(13)的进油侧管路相互串联组成进油回路；
气泵(14)，其与所述溢流调压阀(13)的进气侧管路连接；
重油计量喷射阀(3)，其进口与所述溢流调压阀(13)的出油管路连接；
油气混合轨(12)，其两个进口分别与所述重油计量喷射阀(3)的出口和所述溢流调压阀(13)的出气管路连接；
辅助气计量喷射阀(4)，其具有拉法尔喷射嘴，所述辅助气计量喷射阀(4)的进口与所述油气混合轨(12)的出口连接，所述拉法尔喷射嘴连接发动机气缸体的燃烧室的顶部。
2.根据权利要求1所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述重油计量喷射阀(3)、辅助气计量喷射阀(4)、燃烧室(5)以上至下的顺序设置。
3.根据权利要求1所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述气泵(14)用于将进气气压提升至300KPa-800KPa。
4.根据权利要求3所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述油泵(2)用于将重油油压提升至高于气泵(14)100KPa-400KPa。
5.根据权利要求1所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述重油计量喷射阀(3)包括壳体(309)、定磁杆体(306)、电磁线圈架(316)、电磁线圈(311)、阀芯(305)、阀座(304)、导磁套(314)、计量导流孔片(303)、阀嘴套管(302)及导流管(301)；
所述定磁杆体(306)、导磁套(314)以上至下的顺序依次安装于所述壳体(309)内，所述阀芯(305)、阀座(304)、计量导流孔片(303)、阀嘴套管(302)由上至下的顺序依次安装于所述导磁套(314)内，所述电磁线圈架(316)装配于所述定磁杆体(306)的外圆周上，所述电磁线圈(311)缠绕于所述电磁线圈架(316)上并设有延伸出所述壳体(309)的电极，所述导流管(301)固定于所述阀嘴套管(302)上，所述阀芯(305)与所述定磁杆体(306)的内部设有中心流道，所述阀芯(305)与阀座(304)之间配置有密封钢珠(317)，所述定磁杆体(306)与所述阀芯(305)之间间隙设置且两者之间设有锁紧弹簧(315)以锁紧所述阀芯(305)。
6.根据权利要求5所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述定磁杆体(306)与所述电磁线圈架(316)之间、所述电磁线圈架(316)与所述导磁套(314)之间均设有O型密封圈。
7.根据权利要求5所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述导流管(301)由两段形成0-180°夹角的子导流管组成。
8.根据权利要求1所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述辅助气计量喷射阀包括保护壳体(414)、电极片(413)、导磁盖(401)、衔铁(412)、定磁铁芯(411)、阀座(410)、阀芯(409)、导磁套(406)、线架(404)、电磁线圈(405)和阀芯连杆(416)，所述导磁盖(401)和导磁套(406)间隔设于所述保护壳体(414)内；
所述衔铁(412)、定磁铁芯(411)、阀座(410)由上至下依次设置于由所述导磁盖(401)和导磁套(406)之间形成的安装通道内，所述衔铁(412)和定磁铁芯(411)之间间隙设置且两者之间配置有锁紧弹簧(415)，所述线架(404)设于所述定磁铁芯(411)的外圆周表面，所述电磁线圈(405)设有延伸出所述保护壳体(414)的电极片(413)，所述阀座(410)前端的内部设有直线扩气段和连接直线扩气段的所述锥形喷射口，所述阀芯(411)设于所述锥形喷射口内，呈管状的所述阀芯连杆(416)设于由所述衔铁(412)、定磁铁芯(411)、阀座(410)的内部组成的中心腔道内，且所述阀芯连杆(416)的两端分别连接所述衔铁(412)和所述阀芯(411)，所述阀芯连杆(416)前端的喷射孔对应所述直线扩气段。
9.根据权利要求8所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***，其特征在于，所述导磁盖(401)与所述线架(404)之间、所述线架(404)与所述导磁套(406)之间均设有O型密封圈。
10.一种采用权利要求1所述的点燃式重油缸内直喷发动机气辅助燃油供给***的气辅助燃油供给方法，其特征在于，具体包括：
1)所述气泵将进气气压提升至300KPa-800KPa，所述油泵将所述重油油压提升至高于所述气泵100KPa-400KPa后输入所述溢流调压阀，由所述溢流调压阀调节重油油压和进气气压处于预定压力后继续输送；
2)当发动机气缸体活塞上升至气缸1/5至1/2高度时，控制所述重油计量喷射阀先打开0.1ms后打开所述辅助气计量喷射阀，所述重油计量喷射阀先关闭0.1ms后关闭所述辅助气计量喷射阀，所述重油计量喷射阀和所述辅助气计量喷射阀打开的时间为0.1ms至0.5ms，使重油通过重油计量喷射阀后输入油气混合轨内与空气一并输入到所述辅助气计量喷射阀，通过所述辅助气计量喷射阀的拉法尔流道将重油雾化后喷入发动机燃烧室。
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