CN102216602B - 喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于喷射流体的喷嘴，所述喷嘴包括：喷嘴本体和限定用于流体的流动通道的喷嘴孔，所述流动通道包括通道壁，并且所述喷嘴孔具有通过流动通道与出口流体连通的入口，其中入口大于出口，并且在通过所述入口和出口且沿着流动通道的至少一个截面中，对于流动通道的绝大部分长度内的所有距离<i>X</i>，所述喷嘴孔由下述条件限定： ﹥45微米／毫米，其中S=通道壁分隔值，并且<i>X</i>是距入口的距离。

Description

喷嘴

技术领域

本发明涉及一种喷嘴。更具体地，本发明涉及改进的喷嘴的形成和轮廓，所述喷嘴用于将流体从内部喷嘴体积喷射成外部体积。本发明特别适用于燃料喷射系统，但是也可应用于采用喷嘴布置将流体从第一体积喷射成第二体积的任何装置。

背景技术

对于使用直接喷油技术的内燃机，燃料通常是从采用多孔喷嘴设计的喷嘴喷射的，在所述多孔喷嘴设计中每个独立孔(喷嘴出口)都具有由专用工具精密制造的内部几何形状。该内部孔几何形状被限定并优化以便获得允许燃料和空气在燃烧室内快速混合的高效液体燃料雾化性能。这种优化导致较低的废气排放、优化的燃烧噪声和较低的燃料消耗。

为改进燃料／空气混合的现有努力包括将孔的入口制成圆角，应当理解的是，孔入口的圆角增加喷嘴的流量系数，从而增加喷雾动量并且导致燃烧室内更好的燃料混合。这种类型的圆角使用具有磨粒的糊剂来实现，但是所述圆角具有制造过程冗长的缺点，而制造过程冗长会影响喷嘴的总体制造成本。

最近(例如参见申请人的EP0352926、EP1669157和EP1669158)已经提出，锥形孔的使用能够在减少制造过程时间和成本的同时提供等效的喷嘴效率性能(与具有圆角孔口的喷嘴相比)。在过去，由因数K_factor表示的锥形孔角度(逐渐减小的)的特性，所述因数K_factor限定如下：

其中D_in和D_out分别是以微米(μm)为单位的喷嘴入口直径和喷嘴出口直径。

当前可用的喷嘴产品具有在1到2.5之间的典型K_factor值，该K_factor值与孔入口和孔出口之间的10至25μm的孔直径减小量相等(通常，喷嘴孔本身的长度是1mm=1000μm)。应当指出，这些K_factor值已通过涉及喷射的物理过程的现有知识并且还通过现有制造设备布置被确定。

可通过喷嘴流量系数C_d表示喷嘴孔效率的特性，所述喷嘴流量系数C_d是使用柏努利公式计算的，所述柏努利公式如下：

其中Q是测量的孔流动速率、P_in和P_out分别是入口孔压力和出口孔压力(燃料喷射压力和可以是燃烧室气体压力的背压)、s_out是孔出口截面并且ρ是入口孔压力和温度条件下的液体燃料密度。

供汽车在制造期间应用的Cd值通常测量为在0.80和0.88之间(喷嘴上游压力是101巴而喷嘴下游压力是1巴)，而且应当指出，现有的公知孔设计不能提供大于0.88的喷嘴孔流量系数。

喷嘴孔设计中的一个进一步的因素是孔需要被制造的精度，以便喷嘴孔有效地操作。关于这点，应当指出，设计成K_factor值在1和2.5之间的孔对孔的长度敏感，使得孔长度的变化可潜在地对喷嘴性能构成不利影响。因而现有喷嘴中的喷嘴孔的机加工需要高规格的精度，从而导致冗长并且昂贵的制造过程。

因此，本发明的目的是提供一种克服或基本减轻上述问题的喷嘴。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于喷射流体的喷嘴，该喷嘴包括：喷嘴本体和限定用于流体的流动通道的喷嘴孔，所述流动通道包括通道壁，并且喷嘴孔具有通过流动通道与出口流体连通的入口，其中，入口大于出口，而且在通过入口和出口并沿着流动通道的至少一个截面中，对于流动通道的绝大部分长度内的所有距离X，所述喷嘴孔由下述条件限定：

45微米／毫米，其中S=通道壁分隔值，并且X是距入口的距离。

本发明提供一种喷嘴，该喷嘴具有锥度远大于常规喷嘴设计的锥形喷嘴孔(入口大于出口)。更具体地，应当指出，如果沿着孔的长度截取一片(截面)，那么对该截面的绝大部分而言，条件|dS/dx|（即壁分隔值(相对的内孔壁)随距离的变化率的量值)对于所述绝大部分内所有距离X将大于每毫米45微米。

换句话说，沿喷嘴孔的绝大部分的任何给定距离X处的条件（或）的量值大于每毫米45微米。应当指出，该截面内的通道壁的轮廓可以是线性的。可选地，通道壁的轮廓可以是抛物线形或其他曲线或曲线轮廓与线性轮廓的混合截面。然而，在通过该孔的所述截面内，沿着孔的长度的绝大部分，该条件的最小值总是超过每毫米45微米，即＞45μm／mm。

应当指出，与传统的喷嘴孔设计相比，根据本发明实施方式的喷嘴表现出改进的流量系数、更好的燃料雾化性能以及孔自身内的改进的压力和速度流。还应当指出，在包含圆角孔的传统的孔设计中，局部壁分隔值可能会超过上述壁的条件。然而，这仅发生在传统喷嘴孔的极其有限的部分，并且与本发明相反，在本发明中所述壁的条件沿着孔的长度的绝大部分长度都适用。

根据本发明实施方式的喷嘴可用于燃料喷射系统中，例如那些在申请人的下列专利申请中描述的燃料喷射系统：EP0352926、EP1669157、EP1669158、EP1081374、EP1180596、EP1344931、EP1496246、EP1498602、EP1522721、EP1553287、EP1645749、EP1703117、EP1744051和EP1643117。然而，应当指出，本发明可适用于将流体从第一体积喷射成第二体积的任何流体输送系统。

优选地，在沿着孔的绝大部分长度的任何给定距离X处，由条件＞60μm／mm来限定喷嘴孔。应当指出，基于对流量系数Cd的分析，与公知的锥形喷嘴孔相比，满足该条件的喷嘴孔显现出大概5%的性能增加。

优选地，在沿着孔的绝大部分长度的任何给定距离X处，由条件＞80μm／mm来限定喷嘴孔。应当指出，这种条件降低了喷射孔的长度变化对其性能的影响。因此满足这种条件的喷嘴孔将不需要其制造公差水平与现有喷嘴孔的制造公差水平一样高。

方便地，应当指出，当所述壁的条件适用于至少40%的孔的长度时，可观察到根据本发明实施方式的喷嘴孔的改进性能。优选地，所述条件应当适用于所述孔的长度的最后60%至90%。

方便地，如果孔入口和出口限定出喷嘴孔轴线，那么所述至少一个截面可沿所述轴线截取。方便地，不管通过所述轴线的所有截面绕着该轴线的朝向如何，所述截面可以都满足所述壁的分隔值条件。

方便地，喷嘴孔的横截面可以是圆形或椭圆形。在横截面是椭圆的情况下，那么通过孔轴线以及椭圆的长轴或短轴截取的截面均可满足所述壁的分隔值条件。作为进一步的备选方案，喷嘴孔的横截面可以是三角形、矩形、正方形或任何其他多边形。

应当指出，可提供具有与流体源(例如加压燃料)连通的孔洞的喷嘴本体，而且喷嘴可以布置成从该孔洞通过喷嘴孔将流体喷射成喷嘴外部的体积－例如发动机系统的燃烧室体积。应当指出，在这种布置中，孔入口通向该孔洞而且孔出口通向喷嘴外部的体积。

优选地，喷嘴包括根据上述喷嘴孔的多个喷嘴孔，而且所述多个孔可布置成一排或多排孔－例如申请人的下列专利申请中所述的那些：EP1645749、EP1703117、EP1744051和EP1643117。

在所述至少一个截面内流动通道的通道壁可包括线性和非线性布置－例如所述壁可形成直线圆锥轮廓、抛物线轮廓、线性轮廓和非线性轮廓的混合轮廓等。

本发明还扩展到用于内燃机的燃料喷射器，该燃料喷射器包括根据本发明第一方面的喷嘴。

附图说明

图1和图2示出了通过公知燃料喷射器布置的截面；

图3示出了通过典型喷嘴出口孔的截面；

图4和图5示出了喷嘴中的公知喷嘴孔布置；

图6示出了通过根据本发明实施方式的喷嘴出口孔的截面；

图7示出了通过喷嘴出口孔的横截面，所述喷嘴出口孔可结合本发明的实施方式使用；

图8示出了孔入口半径与流量系数Cd的曲线；

图9a至9J示出了喷嘴孔锥度对内孔流体压力和速度的影响；

图10a是内喷嘴孔压力与距孔入口的距离的曲线；

图10b是内部流体速度与距孔入口的距离的曲线；

图10c是距孔轴线的距离与内部流体速度的曲线；

图11a示出了两个不同长度的喷嘴孔的内孔几何形状与流量系数改进的曲线。

图11b示出了没有入口圆角的第一喷嘴孔以及有入口圆角的第二喷嘴孔的内孔几何形状与流量系数的曲线；

图12a至图12f示出了对公知孔几何形状以及根据本发明实施方式的孔几何形状在内部压力和流速场方面的比较。

图13a至13d示出了增加孔的锥度对两个不同长度的喷嘴孔的流体出口速度的影响；

图14a至图14f示出了孔的锥度对燃烧室体积中喷雾深度的影响；

图15示出了公知孔几何形状和根据本发明实施方式的孔几何形状的排放和微粒水平的曲线；

图16示出了对公知孔几何形状和根据本发明实施方式的孔几何形状的CO₂排放水平的比较；

图17a至图17d示出了公知孔几何形状和根据本发明实施方式的孔几何形状的燃料消耗量、过滤器烟气数量(FSN)、增压压力和排气温度的曲线。

具体实施方式

下面对本发明的描述是参照其在燃料喷嘴上的应用来论述的。然而，应当指出，本发明可应用于用于将流体从第一体积喷射成第二体积的任何类型的喷嘴。例如，所述喷嘴可用于在家用加热系统中将液体燃料从供给体积喷射到加热／燃烧室中。本发明的其他应用包括汽油直接喷射系统和火炉。

还应当指出，如下所述的根据本发明实施方式的喷嘴的使用不限于任何特定类型的发动机。

应当指出，在下面的描述中相同数字用于指示相同特征。还应当指出，在下面的论述中术语平均值被用作简化符号，以描述喷嘴孔壁的分隔值沿喷嘴孔的长度的改变方式。在上述表述中，S涉及在沿着由喷嘴孔形成的通道截取的截面内的喷嘴壁的分隔值，而且该表述用于表明，在沿所述截面的任何给定点处(或在沿孔长度的绝大部分长度的任何给定点处)所述壁的分隔值的“梯度”将总是超过所述值。应当指出，因此非线性的壁轮廓被包括在该表述中，但是该值|dS／dx|的最小值将总是超过所述值(尽管所述值可沿喷嘴孔的长度改变或可沿限定所述条件的喷嘴孔的绝大部分改变)。

转至图1和图2，其中示出了包括喷射针3的燃料喷嘴1，所述喷射针3定位在喷嘴本体7的孔5中。所述喷嘴还包括用于将燃料供给至燃料通道11的输送孔9。上导向部13和下导向部15限制所述喷射针3移动。当所述喷射针3从它的座部21升起时，本体7的末端中的一系列喷嘴孔17允许燃料从喷嘴1基座处的喷嘴囊19喷射到燃烧空间(未示出)中。

图3示出了通过喷嘴孔的截面。应当指出，孔入口25具有直径D_in并且孔出口27具有D_out，而且D_in＞D_out。应当指出，随着距离X沿孔的轴线29增加，孔的壁31便集中以形成锥形的内部几何形状。图3的尺寸被夸大以用于说明目的，但是应当指出，孔通常将具有1毫米(1000μm)级别的长度并且D_in与D_out之间的差值将在10μm至25μm的范围内。

图4示出了通过具有单排喷嘴孔17的喷嘴1的截面。图5示出了备选布置，在所述备选布置中有两排喷嘴孔33。

图6示出了通过根据本发明实施方式的喷嘴孔17的截面。图6中示出了三个独立的孔内部几何形状(由三个壁位置31a、31b和31c指示)。应当指出，与图3的喷嘴相比，图6中的孔入口25明显大于孔出口27。

在图6中，沿孔的轴线在位置X处的孔的直径D标识为D(x)，而且应当指出，平均值＞45μm／mm。换句话说，沿中心孔轴线的|dS／dx|的最小值大于每毫米45微米。然而，应当指出，|dD／dx|的梯度可沿所述轴线改变，使得孔壁的轮廓是非线性的。

如下面论述的，在图6中示出了所有各种孔的几何形状，如果孔直径(或非圆形横截面的孔壁分隔值)的变化率超过每毫米45微米，那么与公知喷嘴相比所述几何形状具有改进的喷射器性能。

如上所述，在图6中，孔的横截面轮廓不一定是圆形。如图7a至图7d所示，只要对于沿孔的轴线的至少一个截面，所述孔的壁分隔值、沿孔的绝大部分长度满足下列条件：平均值|dS／dx|＞45μm／mm，其中S=壁的分隔值，则圆形、椭圆形、矩形甚至半圆形孔横截面都可以结合本发明的实施方式进行使用。

非圆形孔横截面可提供若干性能优点，例如矩形孔设计可喷射片状燃料到燃烧室中，在某些喷射情形中这可能比用圆形孔喷射更可取。

图8示出了圆形横截面喷嘴孔的孔内部几何形状与流量系数Cd的曲线。可以看到，该图包含从柱状(dD／dx=0)直到变成极限孔设计的内孔几何形状，在极限孔设计中所述内直径改变等同于每1000μm180μm。图中示出了5个不同的孔入口半径的结果。

用于图8的目的，参照孔设计等同于流量系数在0.85－0.88之间并且y轴指示相对于该设计的改进百分比。

现有喷嘴设计落入50指示的区域内，并且对于长度1mm的喷嘴孔，可以看到这些孔的几何形状等同于k_factor在0至3之间。

从该图可看出，与现有设计相比，壁分隔值以大约45μm／mm或更大速率增加的内孔几何形状显示出流量系数的显著增加。还应当指出，孔的锥度比入口半径对孔的流量系数具有更大影响(即锥度比孔入口的局部圆角具有更大影响)。应当进一步指出，一旦壁分隔值以大于60μm／mm的速率增加，那么喷嘴显示出5%的性能增加。

图9a至图9j示出了喷嘴孔锥度对内孔流体压力和速度的影响。在图9中，测试了三种不同的孔几何形状，而且从图9a可看出，孔的锥度从左至右横越该图增加。在每个被测试的孔中，孔的出口直径是恒定的。

图9b、9c和9d涉及柱状孔－即孔的锥度=0。图9b示出了孔内的内部压力场。图9b最左边的区域是喷嘴的孔5内的压力，而且可以看出对于锥度=0的设计，在喷嘴孔的入口处具有突然且显著的压降。

图9c和9d示出了内孔流速场。图9c示出了沿孔的轴线的流速场。图9d示出了通过孔出口横截面的流速场。从图9c和图9d可以看出，最大流体速度发生在孔的入口处而且最大速度集中在孔的轴线周围。速度朝向孔壁逐渐向较低值下降。

图9e、图9f和图9g涉及根据现有的公知喷嘴布置－即孔的锥度=10－25μm／mm的锥形喷嘴孔。图9e示出了用于所述孔布置的内孔压力场，而且可以看出孔中的压力下降比柱状孔几何形状的压力下降更具有渐进性。图9f中示出了用于所述布置的流速场，并且该图示出了比柱状孔布置具有更逐渐的流量加速。然而，如从图9g可以看出的，出口处的流速场仍然集中在孔的轴线周围。

图9h、图9i和图9j涉及根据本发明实施方式－即孔的锥度=90μm／mm(在该示例中孔的长度=0.6mm)的锥形喷嘴孔。可以看出，在图9h中根据本发明实施方式的喷嘴布置现在显示出沿喷嘴孔的整个长度上的渐变压降。此外，如从图9i可以看出的，流体的速度朝向孔出口加速，而且从图9j可以看出出口横截面中的边界层显著地比前面两个孔几何形状中的更薄。这点带来的效果是，与前面两个孔几何形状相比，流体流出孔的平均速度增加。

图10a至图10c示出了来自图9的图表形式的数据。图10a证实，对根据本发明实施方式设计的孔(在图10a中标记为“极限设计”)而言，沿孔轴线的压降是更渐变的。

图10b示出了，对于柱状以及现有参照孔几何形状，在孔入口处有一个初始加速，接着是流体速度大体上不变的延长期间。相比之下，在根据本发明实施方式的几何形状中沿整个孔的长度是逐渐加速的。

图10c证实在具有根据本发明实施方式的孔几何形状的孔出口截面处，流体速度更加均匀。

图11a示出了内孔几何形状与流量系数改进(与参照几何形状比较)的曲线。图中示出了2个独立的曲线，第一条曲线用于长度0.6mm的喷嘴孔并且第二条曲线用于长度1.2mm的喷嘴孔。

可以看出，对于根据现有公知产品设计的孔锥度值，孔的长度对喷嘴的性能具有显著的影响。然而，孔的长度对于|dD／dx|的较高值(即根据本发明实施方式的值)变得不太重要，而且数值大约是80μm／mm的喷嘴性能看似独立于喷嘴孔长度。

图11b是没有入口圆角和有入口圆角的孔几何形状与流量系数的曲线。可以看出，对较小的孔锥度值而言，孔圆角比较大的孔锥度值的孔圆角更重要。

图12a至图12f示出了用于公知孔几何形状和根据本发明实施方式的孔几何形状的内部压力和流速场的比较。

图12a和图12b涉及具有|dD／dx|值大约为30μm／mm的孔。可以看出，孔内存在大的突然的压降，且流速场显示出导致高能量损失的大的高流速区域。

图12c至图12f示出了具有|dD／dx|值为180μm／mm的两个孔的几何形状。图12c和图12d涉及一种孔，所述孔具有沿孔轴线的线性壁轮廓。图12e和图12f涉及一种孔，所述孔的轮廓最初为抛物线形并且随后为线性的。在所述两种情况中，沿孔的整个截面|dD／dx|值等于或超过180μm／mm。

可以看出，在图12c至图12f中示出的两个孔轮廓具有类似的特性，这表明沿着轴线的孔的实际轮廓并不影响喷嘴的性能。可以看出，在所述两种情况中都具有平滑的排出区域且较高流速都定位在孔出口附近。

图13a和图13b示出了长度0.6mm的孔的锥度从0增加至50μm／mm的效果。从图13a可以看出，孔内的流速场是大体上“U”形的。通过比较，在图13b中流速场在孔的出口处更均匀。

图13c和图13d示出了用于长度0.9mm的孔的类似流速场曲线。同样，锥度增加的几何形状显示出在孔的出口处的均匀速度方面的改进。

图14a至图14f示出了孔的锥度对燃烧室容积中喷雾深度的影响。图14a至图14c示出了用于柱状喷嘴孔的在三个不同曲轴转角处(在上死点以前6度；在上死点后24度；以及在上死点后44度)的喷雾深度。可以看出，喷雾不能很好地混合，特别是在图14c中，其中具有未用空气的区域(在图14c中圈定的)。

图14d至图14f示出了在同样三个曲轴转角处具有相对较大锥度(在所述示例中锥度是50μm／mm)的喷嘴孔的喷雾深度。可以看出，与图14a至图14c的孔设计比较，图14d至图14f的孔设计具有改进的喷雾深度和混合效果。

图15、图16和图17a至图17d示出了对参照孔几何形状和高性能孔几何形状的比较结果。应当指出，在每一种情况中参照喷嘴包括以现有产品值(即25μm／mm)限制的设计，而所述高性能喷嘴包括大约100μm／mm的孔锥度。在所有情况中，所述喷嘴是6孔喷嘴。

图15示出了参照(即公知)喷嘴设计和根据本发明实施方式的喷嘴的微粒排放和氮氧化合物排放的比较。可以看出，与公知设计相比，根据本发明实施方式的喷嘴显示出高达40%的微粒排放降低。

图16示出了根据本发明实施方式的喷嘴与公知喷嘴孔几何形状相比还可用以实现CO₂排放的降低。

图17a至图17d示出了在以满负载运转的多缸发动机上对根据本发明实施方式的喷嘴的评估。在满负载时，与公知的喷嘴孔设计相比，观察到了改进的总体燃烧效率。在相同的功率点处，包含根据本发明的喷嘴设计的发动机显示出更低的燃料消耗量(与参照系统比较大约有1.5%的改进)、更低的烟气排放(-1FSN)和更低的排气温度(与参照系统比较大约低10℃)。

本发明可在燃料喷射器－例如共轨喷射器中实施，在所述共轨喷射器中共用的供给源(轨道)传递燃料至发动机的至少一个喷射器，或者可在电子单元喷射器(EUI)中实施，在所述电子单元喷射器(EUI)中发动机的每个喷射器都装备有其自身专用的泵，因此实现高压燃料供给。本发明还可在混合方案中实施，该混合方案具有共轨／EUI双重功能。

本发明还可在任何系统中实施，在这些系统中流体从第一体积被喷射为第二体积。

应当理解的是，仅通过示例给出了上面描述的实施方式，这些实施方式并非用以限制本发明、所附权利要求中限定的范围。还应理解的是，所描述的实施方式可以单独使用或以组合方式使用。

Claims (14)

1.一种用于喷射流体的喷嘴，所述喷嘴包括喷嘴本体和限定用于流体的流动通道的喷嘴孔，所述流动通道包括通道壁，并且所述喷嘴孔具有通过所述流动通道与出口流体连通的入口，其中，所述入口大于所述出口，并且在通过所述入口和出口且沿着所述流动通道的至少一个截面中，对于所述流动通道的绝大部分长度内的所有距离X而言，所述喷嘴孔由下述条件限定：

＞60微米／毫米，其中S=通道壁分隔值，并且X是距所述入口的距离。

2.如权利要求1所述的喷嘴，其中所述喷嘴孔由条件＞80微米／毫米限定。

3.如权利要求1所述的喷嘴，其中所述入口和出口限定喷嘴孔轴线，并且所述至少一个截面是沿所述轴线截取的。

4.如权利要求3所述的喷嘴，其中通过所述轴线的所有截面都满足所述条件。

5.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述壁的条件适用于至少40%的所述流动通道的长度。

6.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述喷嘴孔沿所述流动通道的长度具有圆形横截面。

7.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述喷嘴孔沿所述流动通道的长度具有椭圆形横截面。

8.如权利要求7所述的喷嘴，其中通过所述椭圆的长轴或短轴或者通过这两个轴截取的截面都满足所述条件。

9.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述喷嘴孔沿所述流动通道的长度具有大体上为矩形的横截面。

10.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述喷嘴本体设置有与流体源连通的孔洞，而且所述喷嘴布置成将流体从所述孔洞通过所述喷嘴孔喷射成所述喷嘴外部的体积。

11.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述喷嘴包括多个所述喷嘴孔。

12.如权利要求11所述的喷嘴，其中多个所述喷嘴孔布置成一排或多排孔。

13.如权利要求1至4中任一项所述的喷嘴，其中所述至少一个截面中的通道壁限定出：抛物线轮廓；或线性轮廓；或曲线轮廓和线性轮廓混合的轮廓。

14.一种用于内燃机的燃料喷射器，所述燃料喷射器包括如权利要求1至13中任一项所述的喷嘴。