CN102536571A - 用于操作重质燃油的高压机械式喷射器的长寿命喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于船舶柴油机的高压机械式喷射器的喷嘴，包括：喷嘴本体，具有纵向导向孔、与导向孔同轴的燃油供给孔、设置在供给孔一端的锥形阀座，以及与通过锥形阀座和供给孔连通的针阀压力室容积相连通的多个注入孔；喷射针阀，具有滑动式接合于导向孔内的导向部和以足够的径向游隙在供给孔中延伸的终端部，该终端部具有带有与阀座配合作用的密封座的末端。导向部具有导向直径d_g，密封座具有密封直径d_s和密封角α，针阀具有总长L和提升行程h。喷嘴的特征在于，导向直径d_g在9.4-10.5mm之间，针阀具有处于1.00-1.25mm^0.5之间的几何应力参数G，且针阀终端部的末端具有半径R为3-8mm范围内的设于密封座和内锥面之间的圆环面。

Description

用于操作重质燃油的高压机械式喷射器的长寿命喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用于操作重质燃油的、典型地用于船舶推进用发动机的高压喷射器的喷嘴。

背景技术

船舶推进用发动机大多数为根据迪塞尔循环原理工作并被供应重质燃油的内燃机。近年来已经引入了日益严格的用于限制船舶推进用发动机的污染物排放的标准。通过有关氮氧化物(NOx)及颗粒物质的排放标准，对所述发动机施加了最严格的限制。

船舶发动机的制造者已经实施了不同的技术，以确保发动机遵守新标准。特别是对于机械类喷射器来说，一项曾被成功用于限制氮氧化物及颗粒物质的排放的技术是增大喷射器的关闭压力。

本发明基于对MaK M43C型发动机的喷射器的研究。为了满足用于限制船舶推进用发动机的污染物排放的新标准，这些发动机的制造者将关闭喷射器针阀的启动压力从22.7MPa提高到31.2MPa。关闭压力的这种增大是通过增大喷射器弹簧的预紧力来实现的。这导致弹簧的预紧力增大了37％，并意味着喷射器的开启压力从40.0MPa增大到57.5MPa。

关闭压力的增大产生了与污染物排放有关的好处。然而在这种发动机上实施这一改进后，已经注意到会引起喷嘴的使用寿命减少。事实上，假定制造者宣称喷射器具有7500小时的使用寿命，那么在运行1000小时后使用者就会注意到喷射器的性能有明显下降。

尤其是已经注意到，开启压力会显著降低。此外，针阀和喷嘴本体之间的密封变得不良，导致燃油朝向燃烧室泄漏。这增大了污染物的排放，并且不久即在喷嘴的外表面和活塞的一部分顶部上生成一层坚固的炭渣层。

为了确定所述缺陷的原因，本申请人进行了精确的数值分析和实验分析。本申请人所进行的研究表明，由于在关闭阶段的结尾针阀对密封座的冲击，喷射器的关闭压力的增大会产生过高的负荷。所述负荷使针阀本体上的阀座外形产生永久变形。时间长了这致使喷射器本体的阀座上的针阀的外形留下压印。此现象必然导致密封直径逐渐减小(这解释了在实验测试过程中所记录的喷射器开启压力降低的原因)，以及由于接触压力的减少导致气密性的部分损失。事实上，假设作用同样的轴向关闭压力，则密封座上的压印还会导致承接表面增大。

本申请人进行的进一步分析表明，所述喷嘴在座体区域内所达到的温度已触及用于为密封座赋予硬度的表面硬化材料的危险值(并且因此冲击抗力也达到危险值)。事实上，当温度超出220-240℃范围时，可由所述材料获得的表面硬化层不能维持所需的硬度级别。

总之，本申请人所进行的研究已经强调，因为针阀和座体之间的冲击过于猛烈，MaK M43C型发动机的喷嘴会首先过快地磨损。而在高温运转期间，座体机械性能的降低使该问题更为恶化。

发明内容

本发明的目的是提供一种喷嘴，其能解决根据现有技术的喷嘴过早磨损的问题，并且维持关闭压力和燃油流动速率不变。

根据本发明，所述目的通过具有权利要求1的主题形成的特征的喷嘴来实现。

权利要求书形成了本文提供的关于本发明教导的主要部分。

附图说明

现在将参考仅以非限定性示例而提供的附图来详细说明本发明，在图中

图1是根据本发明的喷嘴的轴向截面视图；

图2是图1中箭头II所示区域中的针阀的局部放大图；以及

图3是图1中箭头II所示部分的进一步放大视图。

具体实施方式

参考图1，由标号10标明的是根据本发明的用于高压机械式喷射器的喷嘴。喷嘴10要被安装到用于船舶推进的被供给重质燃油的柴油发动机上。喷嘴10包括具有纵向导向孔14和与纵向导向孔14同轴的燃油供给孔16的喷嘴本体12。在纵向导向孔14和燃油供给孔16之间设有增压室18。该增压室18与一个或多个压力燃油经此到达的通道20连通。在燃油供给孔16的底端形成了锥形阀座22。在锥形阀座22的下面形成针阀压力室容积(sac volume)24，从中延伸出多个喷射孔26。在喷嘴本体12的底端形成环形冷却室28。冷却室28与用于提供冷却液的通道46以及用于排出该液体的图中未示出的类似通道连通。

喷嘴10包括具有导向部32和终端部34的喷射针阀30。导向部32与本体12的导向孔14滑动式接合，并且在其外表面上提供了多条环形微槽。终端部34以足够大的径向游隙在供给孔16中延伸，并且具有带密封座36的底端，该密封座36与本体12的阀座22配合作用。

参考图1，喷射针阀30的导向部32的直径由d_g标明，喷射针阀的整体长度由L标明，并且喷射针阀30的打开行程由h标明。

参考图2和图3，喷射针阀30的终端部34的末端36具有最大密封直径为d_s的锥形密封面38。锥形密封面38具有由图2中α标明的密封角。终端部34的末端36具有外锥面40和内锥面42。外锥面40在终端部34的外部圆柱面和锥形密封面38的外边缘之间延伸。在锥形密封面38和内锥面42之间设置了圆环面44。圆环面44具有由图2和图3中的标号R指明的半径。

根据本发明的喷嘴10被设计成与MaK M43C型发动机上使用的喷嘴相比能提供更长的持续时间和更稳定的性能。与用作参考项的喷嘴相比，根据本发明的喷嘴10被设计成具有如下特性：

1.较小的作用于针阀座上的冲击载荷；

2.相等的关闭压力以维持相同的排放性能；

3.减少的作用于阀座上的接触拉伸应力；

4.相等的渗透性，即，在给定压力降的稳态条件下流经喷嘴的流体流率相同，从而保持流体动力学性能不变；

5.较低的密封座温度；

6.在高温下同样具有较高的座体强度。

上述特性的获得方式将在下文中详细说明。在接下来的所有示例中都将参考对MaK M43C型发动机上的标准喷嘴做出的修改。

1.较小的作用于针阀座上的冲击载荷；

针阀和阀座之间相互作用的冲击力等于冲击期间在针阀中引发的动量增量。具体而言，对于在垂直于运动方向上具有大致恒定截面的物体来说，可以导出使得冲击力能作为下列参数的函数来计算的简单关系式：

-w：接触开始时针阀和喷嘴之间的相对速度；

-A_S和A_N：分别是针阀的横截面和喷嘴本体的横截面；

-c_S和c_N：分别是声音在针阀材料中和在喷嘴本体材料中的传播速度；

-ρ_s和ρ_N：分别是针阀材料和喷嘴本体材料的密度。

针阀和喷嘴本体之间的冲击力F_i由下列的关系式给出：

$F_i=\frac{w}{\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_S{A}_S{c}_S}+\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_N{A}_N{c}_N}}$

如本例中一样，当两个元件的长度相对于它们的横向尺寸大得多时，该关系式是精确的。

从上述关系式中清楚地显示出，可以操作以减少冲击力的参数是相对速度w，以及针阀的横截面A_S和喷嘴本体的横截面A_N。

针阀与阀座接触的速度w依赖于因弹簧动作的加速阶段。对于第一级近似，可以假定针阀的动能基本上等于由弹簧执行的变形功，也就是在数学术语中

$\left\{\begin{array}{c}{E}_c=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_N{A}_{N}L\·w^2\\ E_c\≅\∫\mathrm{Fdx}\≅p_{\mathrm{cl}}{A}_N\·h\end{array}\right.$ 其中 $w\≅\sqrt{2\frac{h}{L}\frac{p_{\mathrm{cl}}}{{\mathrm{\ρ}}_N}}$

其中：

h是针阀的提升冲程；

L是针阀的整体长度；以及

p_cl是喷射器关闭时的启动压力。

为了减少作用在阀座上的绝对载荷，因此选择相对于11mm的初始值来减少针阀的导向直径。在根据本发明的解决方案中，针阀的导向直径d_g的值在9.4到10.5mm之间。当针阀的导向直径d_g为10mm(相应地同比缩放其他直径尺寸)且针阀冲程h从0.9mm减少到0.68mm时，得到的最大冲击力F_i减少了31％。

2.相等的关闭压力

因为针阀的导向直径d_g减小，在喷射器打开时流体压力作用于其上的表面也减少。假设弹簧具有相同的负荷，关闭压力将增大。相反，已决定要保持关闭压力的等级恒定不变。这使得弹簧负荷减少，而其在MaK M43C型发动机的制造者的原始设计中过高。

这样可以得到弹簧预紧力减少了17.8％，这确保了一定的裕量，以备将来可能发生的关闭压力增大。

3.减少的接触拉伸应力

先前，对于相同的关闭压力来说，可以看到喷嘴的新设计能使阀座所受的冲击力减少很多。然而，需要估算在这种减少的情况下喷嘴的使用寿命能有多少提高。

对于当前处理来说，可以认为导致用于燃油喷射器的喷嘴阀座的磨损机理与在平面上滚动的圆柱体的触点磨损的机理相同，后者可能伴有局部滑动，并且圆柱体和平面都受到使它们相互接触的压力。

事实上，可以将喷嘴本体的密封座的锥形表面近似看成平面，同时针阀上的密封边缘(针阀上的带有总是具有小半径的端部的部分)可以视为柱面。可以在旋转柱体的通过与平面接触来循环式加载和卸载的那部分旋转面与针阀的在针阀本身的运动期间循环式加载和卸载的接触边缘之间设立类比。

在所述条件下，可以使用Lundberg-Palmgren定律：

$\log \left({\mathrm{\σ}}_{\max }^N\right)=-0.15\log \left(N\right)+\log \left({\mathrm{\σ}}_{\max }^{{10}^6}\right)+0.9$

这个公式使得能够作为最大接触压力的函数来估算接触表面的使用寿命(循环N的次数)。事实上可用下式求解循环次数：

$N={10}^6{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\max }^{{10}^6}}{{\mathrm{\σ}}_{\max }^N}\right)}^{6.67}$

其中

是接触拉伸应力，由此使用寿命等于10⁶个循环，同时在所考虑的实施例中，

是有效接触拉伸应力。

表达使用寿命的循环次数的该关系式是指数型的。这显示了假设适度减少最大接触拉伸应力，如何得到该元件的持续时间的相当大的提高。

该指数的准确数值取决于所使用的钢和热处理的类型，但很明显，在任何情况下在持续时间和最大接触拉伸应力之间存在指数型变化。因此，确定所述喷嘴中的接触压力如何变化是重要的。

从接触理论中可以基于下述关系式来估算最大应力

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{4}{\mathrm{\π}}\frac{f}{b}$ $f=\frac{F_i}{{\mathrm{\πd}}_s\·\sin \mathrm{\α}/2}$

其中f是具体的线性力(其可以用单位[N/m]度量)，而b是接触边缘的宽度，其又可通过下式来估算：

$b=2\sqrt{\frac{4}{\mathrm{\π}}\frac{1+\mathrm{\ν}}{E}f{R}_{\mathrm{eq}}}$

其中E和v分别是弹性模量和泊松系数，而R_eq是压靠在平面上的柱面的曲率半径。在最一般的情况下，R_eq是取决于接触表面的共有曲率的参数项。其中，如本案中以及在现有技术中更多的案例中，接触点半径小于该接触的宽度b，实际上，参数项R_eq仅取决于干涉角，即针阀上的锥型密封面和阀座的锥型密封面之间的角的差异，在现有技术中该角在非常有限的范围(一般为20′到1°)内变动。

借助于上述关系式，可以作为关闭压力(p_cl)和该元件的几何形状即导向直径(d_g)、密封直径(d_s)、针阀提升行程与长度之比(h/L)以及密封座的角度(α)的函数来估算冲击期间针阀阀座的接触压力(σ_max)的相关性：

${\mathrm{\σ}}_{\max }\left[\mathrm{MPa}\right]=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{f}{R_{\mathrm{eq}}}\frac{E}{1-{\mathrm{\ν}}^2}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{E^{3/2}}{1-{\mathrm{\ν}}^2}}\·\frac{{\left({2p}_{\mathrm{cl}}\right)}^{1/4}}{\sqrt{R_{\mathrm{eq}}}}\·\frac{d_g}{\sqrt{d_s\sin \mathrm{\α}/2}}{(h/L)}^{1/4}=K\·\mathrm{\Γ}\·G$

其中，参数 $K=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\π}}\frac{E^{3/2}}{1-{\mathrm{\υ}}^2}}$

K以单位[MPa^0.75]度量，K只取决于所用材料的弹性性能(E，v)，并且在假设钢是唯一用于这类应用中材料时K可被视为常量。

参数 $\mathrm{\Γ}=\frac{{\left({2p}_{\mathrm{cl}}\right)}^{1/4}}{\sqrt{R_{\mathrm{eq}}}}$

Γ以单位[MPa^0.25/mm^0.5]度量，取决于不希望改变的应用选择；也就是说，参数Γ取决于所期望的关闭压力(p_cl)和接触点的干涉角(参数项R_eq)。因为第一数据直接影响发动机的污染物排放，因此它是设计参数，而第二数据如已经说过的那样与数值很小的干涉角相关联，需要将接触拉伸应力保持在最小值，并且因而不能被进一步优化。

参数 $G=\frac{d_g}{\sqrt{d_s\sin \mathrm{\α}/2}}{(h/L)}^{1/4}$

其被定义为几何应力参数，并且它的度量单位是[mm^0.5]。这个参数汇总了几何特性的组合效果，其能够被优化以便减少最大接触拉伸应力。

几何应力参数G能够在给定相同的关闭压力和接触点处干涉角下比较设计解决方案相对于现有技术的优点。事实上，可以定义接触压力和几何应力参数G之间的比例的关系式如下：

$\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{new}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{orig}}}=\frac{G_{\mathrm{new}}}{G_{\mathrm{orig}}}$

其中σ_new和σ_orig分别是新解决方案和原解决方案的接触拉伸应压力，而G_new和G_orig分别是新解决方案和原解决方案的几何应力参数。

因此，通过利用Lundberg-Palmgren定律组合后一关系式，可以估算使用寿命的预期提高值：

$\frac{N_{\mathrm{new}}}{N_{\mathrm{orig}}}={\left(\frac{G_{\mathrm{orig}}}{G_{\mathrm{new}}}\right)}^{6.67}$

其中N_new是由几何应力G_new表征的喷嘴的预期使用寿命，由循环次数表达。

下表给出了一些数值结果，其中将根据本发明的由设计OMT 1-4表示的四种不同的解决方案与现有技术的解决方案进行比较。下表示出了不同解决方案的几何应力参数，以及根据本发明的解决方案的使用寿命相对于现有技术的解决方案的预期使用寿命的提高的百分比。

4.相等的渗透性

为减小针阀的行程h而又保持相同的渗透性，需要改变在针阀末端和阀座之间的通道的横截面的几何形状，以在给定的较小提升行程h下获得通道横截面的相同开口宽度。

在现有技术中，如图3中虚线所示，针阀尖端的轮廓通过一系列的锥形伸长段而获得。根据本发明的解决方案在图3中用实线示出。图3示出的针阀尖端的轮廓使得所得的出流截面等于参考解决方案，但具有较小的针阀行程。图3示出的解决方案使得在假定提升行程减少24％的情况下，经过针阀的流速相对于原解决方案的变动在1％以内。

新颖性在于圆环面44的引入，其具有一定的圆环横截面半径，其使得与阀座22和内锥面42相接触的圆锥面具有半径R。

针阀和阀座之间的通道截面如下地定义。中心线定义为到针阀尖端的轮廓和到阀座的距离相等，对于所述中心线的每一点来说，可以根据格林定理：A＝2πrl计算出通道截面，其中r是该点到旋转轴的距离，l是在连接针阀轮廓和阀座轮廓的点处垂直于中心线的部分的长度。

根据本发明的轮廓的形状使得在假定提升行程h为0.68mm时可以得到与根据0.9mm提升行程h的现有技术相同的最小横截面。圆环形表面的半径R在3到8mm之间。

下面示出的表格提供了根据本发明的针阀与作为参考的现有技术的针阀之间的对比。

参数	原设计	设计OMT2	变化
				开启压力	57.5MPa	57.5MPa	0％
关闭压力(pcl)	31.3MPa	31.1MPa	-0.5％
				针阀导向直径(dg)	11mm	10mm	-9.1％
密封直径(ds)	7.9mm	7.2mm	-8.9％
				针阀提升行程(h)	0.9mm	0.68mm	-24.4％
估算最大冲击速度(w)	2m/s	1.7m/s	-15.0％
				估算最大冲击力(Fi)	4220N	2911N	-31.0％
所需的弹簧预紧力	2646N	2175N	-17.8％
				冲击时的接触压力(σmax)	100％	88％	-12.0％
稳态下的质量流速	1.82kg/s	1.81kg/s	-0.5％

5.较低的密封座温度

可以借助于适当结构的冷却回路来限制密封座区域中的喷嘴本体的温度。该冷却回路一般由供给孔和排放孔以及环形室28构成，该环形室28设置在喷嘴的暴露于由燃烧产生的热流的表面附近。

在原参考设计中，冷却室与密封座的距离太远并且具有过宽的横截面，这使得流速极低，并因此使冷却效率低。

这个问题通过下述方式解决，即，使冷却室相当接近密封座并减少其横截面以保持流速高，并且将冷却室成形为最大化交换表面。根据本发明，冷却室的最远表面与锥形阀座22的具有较大直径的截面之间的轴向距离小于6mm。

6.在高温下具有较高的座体强度。

为了进一步提高设计的强度，选择了一种不同的材料用于制造喷嘴本体12。根据本发明的喷嘴本体12由渗碳钢制成，其具有在300℃的运行温度下大于HV700的渗碳层，而原设计的材料只能在230℃下维持同级别的硬度。

当然，在不违背本发明主旨的前提下，结构和实施例的细节可以相对于本文的说明和阐释有宽泛地变动，这并不因此脱离如随附权利要求所限定的本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于船舶柴油机的高压机械式喷射器的喷嘴，包括：

-喷嘴本体(12)，其具有纵向导向孔(14)、与所述纵向导向孔(14)同轴的燃油供给孔(16)、设置在所述燃油供给孔(16)一端的锥形阀座(22)，以及与通过所述锥形阀座(22)和所述燃油供给孔(16)连通的针阀压力室容积(24)相连通的多个注入孔(26)；以及

-喷射针阀(30)，其具有滑动式接合于所述导向孔(14)内的导向部(32)和以足够的径向游隙在所述供给孔(16)中延伸的终端部(34)，所述终端部(34)具有带密封座(38)的末端(36)，所述密封座(38)与所述阀座(22)配合作用，

其中，所述导向部(32)具有导向直径d_g，所述密封座(38)具有密封直径d_s和密封角α，所述喷射针阀(30)具有总长L和提升行程h，

所述喷嘴的特征在于，

-所述导向直径d_g的长度在9.4到10.5mm之间，

-所述密封针阀(30)具有由下式定义的几何应力参数G，其值在1.00mm^0.5到1.25mm^0.5之间：

$G=\frac{d_g}{\sqrt{d_s\sin \mathrm{\α}/2}}{(h/L)}^{1/4}$

-所述喷射针阀(30)的终端部(34)的所述末端(36)具有半径R为3到8mm范围内的圆环面(44)，该圆环面设置在所述密封座(38)和内锥面(42)之间。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体(12)具有冷却室(28)，其中冷却室(28)的最远表面与所述锥形阀座(22)的具有最大直径的部分之间的轴向距离小于6mm。

3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，在密封座(38)的表面上，所述喷嘴本体(12)是由在高于280℃的温度下具有大于HV700的硬度的钢制成。

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