CN101268273A - 用于减少烟灰排放的喷射器双列簇配置 - Google Patents

Abstract

一种直接喷射燃料喷射器系统，其包括燃料喷射器，该燃料喷射器限定了位于优化的簇配置内的喷嘴孔。传统的多孔喷嘴中的每一个孔，由位于每簇二孔的配置内并且紧密地隔开的两个更小的孔所替换。簇内的孔配置成在两个水平平面内或列内上下相邻，其互相隔开一定距离。簇配置内的喷嘴孔之间的距离“d”、成簇的羽状流角“α”(该角度为喷嘴孔的中心线之间的角度间隔)、以及喷注夹角“β”通过计算流体动力学及燃烧建模而得到了优化，从而使可在液体穿透性、喷注穿透性与空气掺入之间发现优化的折衷，从而减少了烟灰排放。

Description

用于减少烟灰排放的喷射器双列簇配置

技术领域

本发明涉及直喷燃料喷射器系统，其具有优化的簇配置的喷嘴孔。

发明背景

直喷发动机具有敞开的并且燃料直接喷射于其内的燃烧室。在直喷发动机中，比如与多孔喷嘴一起运行的柴油或火花点火直接发动机中，喷射后的燃料与高温及高压环境接触。为了确保清洁并且有效的燃烧过程，喷射后的燃料需要迅速地与周围空气混合。这在某些情形下构成了特别的挑战，在那里，应用多余的外部废气再循环(EGR)，以便控制氮氧化物(NO_X)的排放。

近来对燃料效率与联邦规定的要求的关注，已再次将努力集中于开发高效率的、低排放的发动机与运行模式。考虑到将来可能的严格的排放立法，特别是关于氮氧化物(NO_X)的排放立法，有必要在更高的废气再循环状态下运行发动机。然而，由于燃烧过程中有限的氧气可获得性，这一般对烟灰(soot)排放具有负面影响。

发明概要

本发明旨在解决形成燃料喷射系统的需要，从而能够使用较小的孔，同时维持充分的但不多余的喷注穿透性(spray penetration)。在本发明中，传统的多孔喷嘴中的每一个孔，由位于簇配置内并且紧密地隔开的两个更小的孔所替换。簇内的孔配置成在两个水平平面内或列内上下相邻，其互相隔开一定距离。簇配置内的喷嘴孔之间的距离“d”、成簇的羽状流角度“α”(该角度为喷嘴孔的中心线之间的角度间隔)以及喷注夹角“β”得到了优化。“α”与“d”主要对烟灰的形成产生影响，而喷注夹角“β”选择成使得烟灰氧化物最大化。计算流体力学分析的结果显示将角度α设置在20度导致优化的簇分布。通过利用成簇的孔，该孔的布局借助计算流体力学与燃烧建模而得到细致的优化，可在液体穿透性、喷射穿透性和空气掺入之间发现优化的折衷，会同时减少烟灰排放。

特别地，本发明提供一种用于发动机的燃料喷射器组件，其包括限定了出口簇的燃料喷射器，该出口簇具有限定于第一平面内的第一开口，以及限定于第二平面内的第二开口。第二平面与第一平面平行并且互相隔开。燃料喷射器可运行，以便经由第一开口而排放第一羽状流(plume)，并经由第二开口而排放第二羽状流，并且第一及第二羽状流混合起来，以便形成产生减少的烟灰排放的一簇羽状流。优选地，第一及第二平面大致水平。第二平面优选地与第一平面隔开一定距离，从而使该簇羽状流具有液压流率，该液压流率大致与已经从单个开口传递的单个羽状流的液压流率等值，同时产生较低的综合烟灰形成。第一羽状流在第一方向内从第一开口出去，而第二羽状流在第二方向内从第二开口出去，且第一方向与第二方向在两者之间限定了角度间隔。角度间隔优选地为20度。

燃料喷射器可以进一步限定第二出口簇，其具有限定于第三平面内的第三开口及限定于第四平面内的第四开口。第四平面与第三平面平行并且互相隔开。燃料喷射器可优选地运行，以便经由第三开口而排放第三羽状流，并经由第四开口而排放第四羽状流，并且第三及第四羽状流优选地混合起来，以便形成产生减少的烟灰排放的第二簇羽状流。在本发明的一方面中，第一和第三平面共同延伸，并且第二与第四平面共同延伸，从而使得开口设置在围绕燃料喷射器的两列内。在本发明的另一方面中，出口簇与第二出口簇具有大致等值的喷注角，从而使得出口簇与第二出口簇大致对称地围绕燃料喷射器而设置。

当将用于实施本发明的最佳模式的下列详细描述与附图结合起来时，本发明的上述特征与优点及其它特征与优点将变得十分清楚。

附图简述

图1为穿过喷射器的截面示意图，展示了一对一的“垂直的”簇配置；

图2为局部的截面示意图，展示了喷嘴孔之间的距离“d”；

图3A为气缸碗的侧面示意图，该气缸碗具有成簇的羽状流，羽状流由“垂直的”喷嘴孔或隔开的每簇二孔配置所形成；

图3B为成簇的羽状流的俯视示意图，羽状流形成于图3A内的气缸碗内；

图4A为单一羽状流的侧面示意图，羽状流借助多个未成簇的并且均匀地隔开的单一喷嘴孔而形成于气缸碗内；

图4B为形成于图4A内的气缸碗内的单一羽状流的俯视示意图；

图5A为数字实验内的三个喷嘴配置相对于时间的烟灰排放浓度的比较图形：传统的单一孔喷嘴，优化的每簇二孔配置，其中成簇的羽状流角α为20度，以及未优化的每簇二孔配置，其中成簇的羽状流角α为10度；

图5B展示了传统的未成簇的单一孔喷嘴羽状流内的烟灰形成的样式；

图5C展示了优化的每簇二孔配置内的烟灰形成的样式，其中成簇的羽状流角α为20度；以及

图5D展示了未优化的每簇二孔配置内的烟灰形成的样式，其中成簇的羽状流角α为10度。

优选实施例详述

参考附图，其中类似的标号表示类似的零件。图1展示了穿过具有喷射器针12和喷射器体14的喷射器系统10的截面示意图。如在文中所用，术语比如“垂直的”与“水平的”相对于附图中的图1来描述喷射器系统10。应当理解：系统10也可以在没有改变本发明原理的情况下具有不同的定向。第一出口簇包括第一与第二开口16、18。如图1所示，第一开口16大体上位于第一水平面17内，而第二开口18大体上位于第二水平面19内，并且两个平面17、19互相之间隔开一定距离。因此当从图2观察时，构成第一出口簇的开口16、18显示为“垂直簇配置”。换句话说，喷射器针12优选地限定了中心线C，并且第一开口16、第二开口18与中心线C共同限定一个平面(即，从图1所观察的纸面)，从而使第一开口16在中心线C的方向内直接地位于第二开口18的“下方”。

虽然本发明将总体上仅仅相对于第一出口簇而描述，系统10优选地包括多个出口簇。比如，第二出口簇包括显示为位于第一平面17内的第三开口20，以及显示为位于第二平面19内的第四开口22。也可以利用额外的出口簇，并且每个簇包括互相隔开一定距离的两个开口。应当理解：在没有改变本发明原理的情况下，第二簇的喷嘴孔20、22可相对于第一簇的喷嘴孔16、18而位于不同的水平平面内。位于每簇内的开口的所谓垂直配置使得簇之间的间隔最大化，从而限制了喷注之间的互相作用，并且使空气利用得以最大化。在此实施例中，平面17和19垂直地互相隔开一定距离。在另一个实施中，平面可在不同的方向或方位内互相隔开。

喷射器系统10优选地可运行成通过第一开口16而排放第一羽状流，并通过第二开口18而排放第二羽状流，并且第一及第二羽状流混合起来从而形成文中所述的第一簇羽状流效果。系统10可以具有用于开口16、18的一个公共入口，或者可以使用单独的入口。虽然开口16、18已描述成位于对应的水平平面17、19内，开口16、18优选地配置成使得第一和第二羽状流在预定的角度而出去。比如，第一羽状流沿着中心线26而离开第一开口16，而第二羽状流沿着中心线24而离开第二开口18。成簇的羽状流角α然后可以限定为第一簇内的开口16、18的中心线24、26之间的角度间隔，并且α/2然后表示每个中心线24、26与第一簇羽状流的有效中心线25之间的距离。

优选地，喷射器系统10也可运行成通过第三开口20而排放第三羽状流，并通过第四开口22而排放第四羽状流，并且第三及第四羽状流也混合起来，从而形成具有展示于27处的有效中心线的一簇羽状流。当多于一个的簇包含于系统10内时，喷注夹角β可限定为第一簇羽状流的有效中心线(即25)与第二簇羽状流的有效中心线(即27)之间的角度。角度β与β/2展示于图1中。优选地，簇围绕喷射体14而对称地设置。

图2为局部截面图，展示了第一开口16与第二开口18之间的线性距离d。即，d为图1中的“水平”平面17和19之间的“垂直”距离。构成簇的开口16、18之间的距离d、成簇的羽状流角α、喷注夹角β以及簇的数量得到了优化。烟灰形成的数量主要受到α与d的影响，而β优选地选择成使得烟灰氧化物最大化。更具体地，角度β控制喷注对准，即单独的簇配置是如何相对于活塞及气缸内流场而配置的。后来的烟灰氧化循环主要被由一定的活塞碗配置所生成的流场及为业界所知的其它参数，比如端口配置、喷射器配置及运行条件例如喷射器压力所控制。可优化参数的代表值对d来说为0.2毫米，对于β来说为150度，而对于α来说20度，并且具有至少5个簇。

图3A表现了气缸碗的侧面示意图，其具有由多簇羽状流形成的成簇的羽状流，该多个簇羽状流经由开口而从喷射器50出来，该开口配置成“垂直地”隔开的每簇二孔配置，如相对于图1所描述的那样。图3B为成簇的羽状流的俯视示意图，该羽状流形成于图3A内的气缸碗内。喷射器50可运行成将羽状流喷射到气缸碗(cylinderbowl)内，气缸碗具有展示于54处的轮廓。图3A和图3B也展示了气缸套56和活塞碗边缘(rim)58。在60处箭头展示了喷注羽状流前面的空气流路径。低背压区域显示于74处，背压为喷注羽状流的末端与碗边缘70之间的压力。

相比较之下，图4A为气缸碗的侧面示意图，其具有单一羽状流，单一羽状流借助多个未成簇的并且均匀地隔开的位于喷射器62内的单一喷嘴开口而形成。图4B为形成于图4A内的气缸碗内的单一羽状流的俯视示意图。喷射器62可运行成将羽状流64喷射到气缸碗内，气缸碗具有展示于64处的轮廓。图4A和图4B也展示了气缸套68和活塞碗边缘70。在72处的箭头展示了喷注羽状流前面的空气流路径。高背压区域显示于76处。因此，虽然均匀地隔开的并且形成了展示于图4A和图4B中的羽状流的开口允许具有液压流率，其与展示于图3A和图3B中的垂直簇配置的液压流率等值，图4A和图4B中的未成簇的且均匀隔开的单一开口结构导致更多的压力区域和更高的背压。因此，可以看出：垂直的每簇二孔配置可运行成通过减小背压而改善发动机内的喷射穿透性。

图5A为数字实验内的三个喷嘴配置相对于时间(以秒表示)的以任意单位(A.U.)表示的烟灰排放浓度的图形：传统的单一孔喷嘴(即相对于图4A和图4B所讨论的配置)，优化的每簇二孔配置，其中成簇的羽状流角α为20度，以及未优化的每簇二孔配置，其中成簇的羽状流角α为10度。优化的每簇二孔配置具有最低的综合烟灰排放。所展示的结果取自计算流体动力学分析，并且证明了适当地对簇配置进行优化的重要性。

图5B展示了传统的未成簇的单一孔喷嘴羽状流内的烟灰形成的样式，其具有用L1表示的蒸气穿透性。图5C展示了优化的每簇二孔配置内的烟灰形成的样式，其中成簇的羽状流角α为20度，其具有用L2表示的蒸气穿透性。图5D展示了未优化的每簇二孔配置内的烟灰形成的样式，其中成簇的羽状流角α为10度，其具有用L3表示的蒸气穿透性。从图5B-图5D可以看出：喷射穿透性在优化的簇配置内是最低的。这种潜在的主要在全负载处的缺点可通过发动机内的簇之间的相对细微布局而得以解决。进一步的计算流体动力学分析显示：将簇内的开口配置成两列的形式，或配置成两个垂直地隔开的或一个位于另一个上的水平平面的形式，而不是配置成水平地位于单列或单个水平平面内，提供了关于发动机内的喷射穿透性与空气利用的显著优点。垂直间隔使得具有两个孔的簇之间的间隔得以最大化。这借助允许排放出的空气在喷射末端之前逸出而改善了穿透性，从而限制了穿透喷射前面的压力聚积，如图3B所示。

如果发动机运行于所谓的预混合装料压缩点火(PCCI)模式下，则可特别很好地适用此原理。燃烧的预混合装料压缩点火模式将标准的压缩点火燃烧系统与高速的强冷的废气再循环(EGR)及早期开始喷射(SOI)的正时结合起来。预混合装料压缩点火模式具有显示多余的液体壁冲击的更多机会。每簇二孔配置运行成对燃烧进行改善。通过适当地选择所提到的簇配置内的参数，该参数通过数字优化而获得，液体在全负载处的穿透性、在局部负载处的最小壁冲击、充分的空气掺入及在全负载范围内的混合之间可形成优化的平衡。

虽然用于实施本发明的最佳模式已被详细的描述，应当理解：所使用的术语具有文字及描述的本意，而不是其限制。那些熟悉本领域的技术人员将认识到：考虑到上述启示，本发明的许多修改是可能的。因此，应当理解：在所附权利要求的范围内，本发明可以大致等同的方式而不是文中特别描述的方式而被实施。

Claims (19)

1.一种用于发动机的燃料喷射器组件，包括：

燃料喷射器，其限定了第一出口簇，所述第一出口簇具有限定于第一平面内的第一开口以及限定于第二平面内的第二开口，所述第二平面与所述第一平面平行并且互相隔开；

其中所述燃料喷射器可运行，以便经由所述第一开口而排放第一羽状流，并经由所述第二开口而排放第二羽状流，所述第一羽状流与第二羽状流混合起来，以便形成产生减少的烟灰排放的第一簇羽状流。

2.如权利要求1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述第一羽状流以第一方向离开所述第一开口，而所述第二羽状流以第二方向离开所述第二开口，所述第一方向与所述第二方向在两者之间限定了角度间隔。

3.如权利要求2所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述角度间隔大约为20度。

4.如权利要求1所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述燃料喷射器还限定了第二出口簇，所述第二出口簇具有限定于第一平面内的第三开口和限定于所述第二平面内的第四开口，

其中所述燃料喷射器可运行，以便经由所述第三开口而排放第三羽状流，并经由所述第四开口而排放第四羽状流，所述第三羽状流和第四羽状流混合起来，以便形成产生减少的烟灰排放的第二簇羽状流。

5.如权利要求4所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述第一出口簇与所述第二出口簇大致对称地围绕所述燃料喷射器而设置。

6.如权利要求4所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述第一簇羽状流和第二簇羽状流在两者之间限定了喷注夹角。

7.如权利要求6所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述的喷注夹角在110度-160度之间。

8.一种用于发动机的燃料喷射器组件，包括：

燃料喷射器，其限定了出口簇，所述出口簇包括第一开口以及与所述第一开口隔开一定距离的第二开口，所述燃料喷射器可运行，以便经由所述第一开口而排放第一羽状流，并经由所述第二开口而排放第二羽状流；

其中所述距离使得所述第一羽状流和所述第二羽状流混合起来，以便形成一簇羽状流，所述簇羽状流产生比单一羽状流更小的综合烟灰形成，所述单一羽状流已经经由单一开口并以大致等同的流率而被传递。

9.如权利要求8所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述距离大约为0.2毫米。

10.如权利要求8所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述燃料喷射器限定了多个所述出口簇，所述出口簇大致对称地围绕所述燃料喷射器设置。

11.如权利要求8所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述第一羽状流以第一方向离开所述第一开口，而所述第二羽状流以第二方向离开所述第二开口，所述第一方向与所述第二方向在两者之间限定了角度间隔。

12.如权利要求11所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述距离与所述角度间隔选择成使得空气利用最大化，并且使得在所述第一羽状流及第二羽状流的排放过程中的烟灰的形成最小化。

13.如权利要求11所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述角度间隔大约为20度。

14.一种用于可在预混合的装料压缩点火模式下运行的发动机的燃料喷射器组件，所述燃料喷射器组件包括：

燃料喷射器，其限定了第一出口簇，所述第一出口簇具有限定于第一平面内的第一开口以及限定于第二平面内的第二开口，所述第二平面与所述第一平面平行并与所述第一平面隔开一定距离；

其中所述燃料喷射器可运行，以便经由所述第一开口而排放第一羽状流，并经由所述第二开口而排放第二羽状流，所述第一羽状流与第二羽状流混合起来，以便形成一簇羽状流；以及

其中所述距离使得所述簇羽状流产生比单一羽状流更小的综合烟灰形成，所述单一羽状流已经从单一开口并以大致等同的流率被传递。

15.如权利要求14所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述第一平面和第二平面大致水平。

16.如权利要求14所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述燃料喷射器限定了多个所述至少一个出口簇，所述出口簇大致对称地围绕所述燃料喷射器设置。

17.如权利要求14所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述第一羽状流以第一方向离开所述第一开口，而所述第二羽状流以第二方向离开所述第二开口，所述第一方向与第二方向在两者之间限定了角度间隔。

18.如权利要求17所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述角度间隔大约为20度。

19.如权利要求14所述的燃料喷射器组件，其特征在于，所述距离大约为0.2毫米。

Images