CN102493903A - 一种大流量气体喷嘴的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量气体喷嘴的制造方法。包括如下步骤：首先根据气体燃料内燃机的相关技术参数计算最大循环喷射量；其次根据内燃机标定转速确定对应的最大允许喷射脉宽；然后建立喷嘴仿真计算模型，模型包括喷嘴进口截面直径、喷嘴开启后衔铁与阀座之间形成的流通截面面积，喷嘴出口截面面积，以及能够调节喷嘴喷射脉宽及喷射压力等参数的控制模块。经过模型的校核与验证，分析相关结构参数对喷嘴流量的影响规律，同时考虑结构强度及加工工艺的限制，提出改善喷嘴流量的具体优化参数，从而实现大流量喷嘴的优化设计。本发明可以针对各种形式的气体燃料内燃机设计满足其流量特性的气体喷嘴，解决现有气体燃料喷嘴流量较小的问题，满足高转速、大负荷时的燃料供应。

Description

一种大流量气体喷嘴的制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量气体喷嘴的制造方法。

背景技术

随着石油能源的逐渐枯竭，现行能源结构面临着根本的变革。由于目前汽车的能源消费占世界能源消费总量已达四分之一，未来汽车的数量仍会继续增加，使得代用燃料越来越引起人们的关注；另外以石油为原料制得的汽油和柴油在燃烧时会产生CO，HC和CO₂，对人类生存环境造成极大危害，这些都进一步促进了代用燃料的开发和利用。气体燃料如压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、氢气(H₂)等由于其物理、化学特性能够有效改善石油能源难以克服的弱点，在车船用内燃机、发电机组等能源动力装置中已经得到广泛的应用。

燃料供应系统作为气体燃料能源动力装置的关键组成部分，其工作可靠性对能源动力装置性能影响显著，尤其在最高转速、最大负荷时燃气流量需求大、喷射频率高，要求喷嘴流量必须满足需求，否则会造成燃料供应不充足，从而导致高速、大负荷时动力性能下降，严重影响能源动力装置的使用性能，目前普遍采取每缸多喷嘴以满足燃料流量需求，但是会带来系统故障率及成本增加等问题。

为满足燃料供应系统燃气供应充足，尤其在最高转速、最大负荷时实现气体燃料供给量的精确控制，必须保证喷嘴在上述工况下流量足够大，以便降低成本、降低故障率，同时便于系统整体布局，因此对大流量气体燃料喷嘴的开发具有十分重要的意义。本发明为解决上述问题，提出了一种用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量气体喷嘴的制造方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量气体喷嘴的制造方法，可以针对各种形式的气体燃料发动机制造其气体喷嘴，以满足燃料供应系统燃气供应充足，混合气浓度控制精确。

为了实现本发明的目的，本发明提出了一种用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量气体喷嘴的制造方法，其设计步骤是：首先根据气体燃料内燃机的相关技术参数计算最大循环喷射量；其次根据内燃机最高或额定转速确定对应的最大允许喷射脉宽；然后针对现有喷嘴建立其仿真计算模型，模型包括喷嘴进口截面直径、喷嘴开启后衔铁与阀座之间形成的流通截面面积，喷嘴出口截面面积，以及能够调节喷嘴喷射脉宽及喷射压力等参数的控制模块。在验证模型准确性的前提下，分析相关结构参数对其流量特性的影响程度，给出增大喷嘴流量的最佳方案，同时综合考虑结构强度及加工工艺的限制，提出改善喷嘴流量的具体优化参数，从而实现大流量喷嘴的优化设计。

优选的是，所述最大循环喷射量的计算方法，是基于内燃机单缸排量，燃料性质等参数计算。

优选的是，所述合适的燃料供应压力选取适当喷射脉宽，是根据气体燃料内燃机标定转速确定对应的最大允许喷射脉宽，以明确喷嘴在内燃机标定转速时的流量要求。

优选的是，所述气体燃料喷嘴仿真计算模型，是基于气体动力学理论建立的。模型主要理论涉及轨道内气体流速及流量方程，能量及动量守恒方程等；此外气体燃料经阀口喷射的实际过程可简化为小孔喷射。模型包括喷嘴进口截面直径、喷嘴开启后衔铁与阀座之间形成的流通截面面积，喷嘴出口截面面积，以及能够调节喷嘴喷射脉宽及喷射压力等参数的控制模块。

优选的是，所述喷嘴流量最佳优化方案的确定，首先在验证模型准确性的前提下，分析相关结构参数对其流量特性的影响程度，给出增大喷嘴流量的最佳方案；同时综合考虑结构强度及加工工艺的限制，提出改善喷嘴流量的具体优化参数，从而实现大流量喷嘴的优化设计。

附图说明

图1显示了本发明关于气体燃料喷嘴的制造流程图。

图2显示了根据本发明的一个实施例的用于氢燃料内燃机氢气喷嘴，通过仿真计算得到的相关结构参数对其流量特性的影响规律，其中参数a代表喷嘴开启后衔铁与底座间形成的流通截面当量直径，b代表喷嘴进口截面直径，c代表喷嘴出口截面直径。

图3显示了根据本发明的一个实施例的用于氢燃料内燃机氢气喷嘴与经优化设计后的大流量喷嘴在不同喷射压力下流量特性的比较。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例的用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量气体喷嘴的制造方法，包括如下步骤：首先根据氢燃料内燃机的相关技术参数，如内燃机单缸排量，氢气性质等计算最大循环供氢量；根据气体燃料内燃机标定转速确定对应的最大允许喷射脉宽；利用气体动力学理论建立气体喷嘴仿真计算模型，模型包括喷嘴进口截面直径、喷嘴开启后衔铁与阀座之间形成的流通截面面积，喷嘴出口截面面积，以及能够调节喷嘴喷射脉宽及喷射压力等参数的控制模块，在验证模型准确性的前提下，分析相关结构参数对其流量特性的影响程度，给出增大喷嘴流量的最佳方案；同时综合考虑结构强度及加工工艺的限制，提出改善喷嘴流量的具体优化参数，从而实现大流量喷嘴的优化设计，氢内燃机燃料的供应精确合理。

整个的设计过程是，首先确定最大循环供氢量，利用氢燃料内燃机的相关技术参数，由[数学式1]计算：

[数学式1]

m＝V·ρ_air·Ф

式中，m是循环供氢量，V表示内燃机单缸排量，ρ_air表示进气管状态下空气密度，Ф表示燃空比。

其次假定最大喷氢脉宽对应的曲轴转角为180°，根据气体燃料内燃机最高工作转速确定对应的最大允许喷射脉宽，由[数学式2]计算：

[数学式2]

$t=\frac{1}{2}\frac{60}{n}$

式中，t是最大允许喷射脉宽，n表示发动机转速。

然后利用气体动力学理论建立气体燃料喷嘴仿真计算模型，模型所需用的方程包括：氢气在管路内气体流速由[数学式3]计算，质量流量由

[数学式4]计算

[数学式3]

$v=\sqrt{\frac{2\·D\·\left|\mathrm{\ΔP}\right|}{L\·\mathrm{\ρ}\·\mathrm{ff}}}$

[数学式4]

$\frac{\∂\mathrm{dm}}{\∂t}=A\·\frac{\∂p}{\∂x}-\frac{\mathrm{\ρ}\·\mathrm{ff}\·A\·v^2\·\mathrm{sign}\left(v\right)}{2\·D}$

式中，v表示气体速度，A表示管路的横截面积，ΔP表示压降，D表示管路直径，L表示管长，ρ表示气体密度，ff表示摩擦因数。

根据能量守恒定律，管路内能量变化由[数学式5]计算

[数学式5]

$m\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}+u\frac{\mathrm{dm}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\Σ}{\stackrel{\·}{m}}_i\·h_i+\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}-\frac{\mathrm{dW}}{\mathrm{dt}}$

式中，Q表示热量变化，由[数学式6]计算，K表示传热系数，T_ext表示流出气体温度，T表示管道气体温度；W表示做功量，由[数学式7]计算；u表示单位工质内能，m表示气体质量。

[数学式6]

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=K\·A\·(T_{\mathrm{ext}}-T)$

[数学式7]

$\frac{\mathrm{dW}}{\mathrm{dt}}=-P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}$

由于氢气可近似理想气体，有u＝Cv·T，Cv表示定容比热容，

因此喷嘴内温度变化由[数学式8]计算

[数学式8]

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{m}(\frac{1}{\mathrm{Cv}}\mathrm{\Σ}{\stackrel{\·}{m}}_i\·h_i-{\stackrel{\·}{m}}_i\·T)-\frac{P}{m\·\mathrm{Cv}}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{m\·\mathrm{Cv}}\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}$

喷嘴内压力波动由[数学式9]计算

[数学式9]

$V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=-P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+m\·r\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}+r\·T\·\stackrel{\·}{m}$

对于氢气经阀口喷射过程，可以近似为小孔喷射，质量流量方程由[数学式10]计算：

[数学式10]

$\stackrel{\·}{m}=A{\·C}_q\·C_m\frac{P_u}{\sqrt{T_u}}$

式中，A表示节流孔面积(mm²)；C_q表示流量系数；P_u表示节流孔上游压力；T_u表示节流孔上游温度。C_m表示与气体流动有关，是压比P_d/P_u的函数，当气体流速为音速时，该参数为常数，由[数学式11]，[数学式12]计算。氢气流动状态取决与临界压比P_cr：

$P_{\mathrm{cr}}={\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}=0.528$

式中，γ表示绝热指数。

[数学式11]

$C_m=\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}(\mathrm{\γ}-1)}}\sqrt{{\left(\frac{P_d}{P_u}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\γ}}}-{\left(\frac{P_d}{P_u}\right)}^{\frac{\mathrm{\λ}+1}{\mathrm{\γ}}}}$ 当 $\frac{P_d}{P_u}>P_{\mathrm{cr}}$ (亚音速)

[数学式12]

$C_m=\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}(\mathrm{\γ}-1)}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}-1}}$ 当 $\frac{P_d}{P_u}\≤P_{\mathrm{cr}}$ (音速)

在验证模型准确性的前提下，根据喷嘴结构特点，因此可以分析各相关结构参数对喷嘴流量特性的影响规律，如图2所示，可以看出，参数a，即喷嘴开启后衔铁与底座间形成的流通截面当量直径对喷嘴的流量特性影响最大；参数b，即喷嘴进口截面直径对喷嘴流量有一定影响，随着喷嘴进口截面直径逐渐增大，流量首先逐渐增加，而后稳定至最大值；参数c，即喷嘴出口截面直径对喷嘴流量的影响最小。

在明确了上述相关结构参数对喷嘴流量的影响规律后，能够确定出增大喷嘴流量的最佳方案：在不影响喷嘴结构强度及密封性的条件下，同时综合考虑加工工艺的限制，增大喷嘴开启后衔铁与底座间形成的流通截面面积，将能够有效增大喷嘴流量，从而能够实现大流量喷嘴的优化设计。

结合上述设计步骤及公式，针对某款氢气喷嘴优化其流量特性，设计大流量喷嘴。

根据本发明的一个具体的实例，根据[数学式1]计算得到循环最大喷氢量m＝0.0083克，喷氢脉宽为5ms，通过建立氢气喷嘴仿真模型，可以分析相关结构参数对喷嘴流量特性的影响规律，如图2所示：可以看出参数a，即喷嘴开启后衔铁与底座间形成的流通截面当量直径对喷嘴的流量特性影响最大，增加此流通截面面积将能够有效增大喷嘴流量；参数b，即喷嘴进口截面直径对喷嘴流量有一定影响，随着喷嘴进口截面直径逐渐增大，流量首先逐渐增加，而后稳定至最大值，因此增加喷嘴进口截面直径能在一定程度上增大喷嘴流量；参数c，即喷嘴出口截面直径对喷嘴流量的影响最小，可知增大喷嘴出口截面面积对喷嘴流量提高没有明显作用。

在明确了上述相关结构参数对喷嘴流量的影响规律后，能够确定出增大喷嘴流量的最佳方案：在不影响喷嘴结构强度及密封性的条件下，同时综合考虑加工工艺的限制，增大喷嘴开启后衔铁与底座间形成的流通截面面积，将能够有效增大喷嘴流量，从而能够实现大流量喷嘴的优化设计。

图3表示经优化设计后的大流量喷嘴与原昆腾喷嘴在不同喷射压力下流量特性的比较，表明经优化后的喷嘴流量已有显著的提高，因此通过上述实例表明该制造方法具有较强的实用性。

尽管结合上述优选实施例来描述了本发明，但是应该知道，本发明不局限于所公开的用于氢燃料内燃机喷嘴的优化制造方法例，本发明还可以覆盖各种改进和落入本发明要求保护的精神实质和范围内(压缩天然气等气体燃料喷嘴的优化设计等)的等同方法。

Claims (2)

1.一种用于改善气体燃料内燃机喷嘴流量特性的大流量喷嘴的制造方法，其特征在于：

根据气体燃料内燃机相关技术参数，如内燃机单缸排量，燃料性质等计算最大循环喷射量；

根据气体燃料内燃机标定转速确定对应的最大允许喷射脉宽；

利用气体动力学理论结合喷嘴结构特征，建立气体燃料喷嘴仿真计算模型，模型包括喷嘴进口截面直径、喷嘴开启后衔铁与阀座之间形成的流通截面面积，喷嘴出口截面面积，以及能够调节喷嘴喷射脉宽及喷射压力等参数的控制模块。在验证模型准确性的前提下，分析相关结构参数对喷嘴流量特性的影响规律，同时综合考虑结构强度及加工工艺的限制，提出改善喷嘴流量的具体优化参数，从而实现大流量喷嘴的优化设计。

2.根据权利要求1所述的改善气体燃料喷嘴流量特性的大流量喷嘴的制造方法，其特征在于，可根据本方法确定增大喷嘴流量的最佳方案及关键结构参数，从而实现大流量喷嘴的优化设计，满足目标发动机标定工况的流量要求。

Images