CN104246207A - 用于偏斜的燃料喷射的喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于燃料喷射器(32)的喷嘴(56)。该喷嘴可具有体部(52)，该体部具有基端、末端(82)和从基端延伸到末端的中心孔(76)。所述喷嘴还可以具有定位在中心孔内位于末端处的凹湾状部(66)。此外，所述喷嘴可具有定位在末端内并与所述凹湾状部连通的孔口(80)。所述孔口可以相对于所述中心孔的径向方向以一方位角偏斜。

Description

用于偏斜的燃料喷射的喷嘴

技术领域

本发明总体涉及燃料喷射器喷嘴，更具体地涉及用于偏斜的燃料喷射的喷嘴。

背景技术

内燃机——诸如柴油发动机、汽油发动机和气体燃料动力发动机——使用喷射器以在高压下将燃料引入发动机的燃烧室中。这些燃料喷射器中的每一者都包括具有一个或多个孔口的喷嘴，所述孔口引导加压燃料自喷嘴沿径向向外进入关联的燃烧室中。

然而，在喷射过程中，进入发动机的燃烧室的空气在顺时针或逆时针方向上自然地涡旋。在存在这类涡旋的情形下自喷嘴径向向外地喷射燃料会引起燃料的不完全雾化或燃料与空气的不适当混合。这会导致燃料喷射器的性能降低，其可以通过降低的发动机效率、增加的炭烟形成和增加的燃料消耗来体现。

授予Shimizu等人的美国专利No.7,082,921B2(“'921专利”)描述了一种用于内燃机的燃料喷射器，其中燃料被从该燃料喷射器的单个孔口喷射到燃烧室内。该孔口关于中心轴线倾斜成一预定角度。所述孔口还具有台阶部，该台阶部在被喷入燃烧室中的燃料内引发涡旋以改善燃料的雾化。

虽然'921专利公开了在燃料射流中引发涡旋的燃料喷射器，但是所公开的燃料喷射器未考虑进入燃烧室的涡旋空气的影响，并仍可能导致燃料的不完全雾化和燃料与空气的不适当混合。

本发明的喷嘴可解决上述问题中的一个或多个和/或现有技术的其它问题。

发明内容

在一个方面，本发明涉及用于燃料喷射器的喷嘴。该喷嘴可包括体部，该体部具有基端、末端和从基端延伸到末端的中心孔。该喷嘴还可包括定位在中心孔内位于末端处的凹湾状部(sac)。此外，该喷嘴可包括定位于末端内并与所述凹湾状部连通的孔口。该孔口可相对于所述中心孔的径向方向以一方位角偏斜。

在另一方面，本发明涉及将燃料喷射到具有燃烧室的发动机中的方法。该方法可包括对燃料加压。该方法还可包括引导加压燃料流经喷嘴部件的中心孔到达凹湾状部。此外，该方法可包括在相对于所述中心孔的径向方向以一方位角偏斜的方向上再次引导燃料经孔口到达所述燃烧室。

附图说明

图1是示例性公开的机器的示意性和说明性视图；

图2是示例性公开的用于图1的机器的燃料喷射器的截面图；

图3A是示例性公开的用于图2的燃料喷射器的喷嘴的示意图；和

图3B是示例性公开的图3A的喷嘴的孔口的截面图。

具体实施方式

图1示出了具有发动机10和燃料系统12的机器5。机器5可以是固定式或移动式机器，其用于执行与诸如铁路、海运、矿业、建设施工、农业、发电的行业或本领域已知的任何其它行业相关联的某些类型的操作。例如，机器5可以是机车、船用发动机、地表移动机器、发电机组、泵或其它适合的操作执行机器。

在机器5的一个示例性实施例中，发动机10可以是二冲程柴油发动机。然而，本领域技术人员将认识到，发动机10可以是任何其它类型的内燃机，例如四冲程柴油发动机、汽油发动机或气体燃料动力发动机。发动机10可以包括至少部分地限定出多个气缸16的发动机缸体14、可滑动地设置在每个气缸16内的活塞18，以及与每个气缸16都相关联的气缸盖20。气缸16、活塞18和气缸盖20可形成燃烧室22。在图1所示的实施例中，发动机10包括六个燃烧室22。然而，设想到，发动机10可包括更多或更少数量的燃烧室22。此外，燃烧室22可设置成“直列”构型、“V”构型或任何其它合适的构型。

图1还示出，发动机10可包括可转动地设置在发动机缸体14内的曲轴24。连杆26可以将每个活塞18都连接至曲轴24，使得活塞18在每个相应的气缸16内的滑动运动引起曲轴24的转动。类似地，曲轴24的转动引起活塞18的滑动运动。

燃料系统12可包括协作以将加压燃料喷射到每个燃烧室22内的构件。具体地，燃料系统12可包括构造成保持一定量的燃料的储器28，和构造成从供给管线40接收燃料的燃料泵送装置36。燃料泵送装置36可以对燃料加压并经由供给管线42借助于共轨34将加压燃料引导至多个燃料喷射器32。设想到，如果需要则燃料系统12内可以包括附加的或不同的构件，例如附加的燃料泵送装置、高压和低压源、碎屑过滤器、水分离器、补偿阀、减压阀、优先阀和能量再生装置。

泵送装置36可以可操作地连接至发动机10并由曲轴24驱动。此外，泵送装置36以对本领域技术人员显而易见的任意方式与曲轴24连接，其中曲轴24的转动将引起泵驱动轴的对应转动。例如，泵送装置36的泵驱动轴46在图1中示为通过齿轮传动系48连接至曲轴24。然而，设想到，泵送装置36可替代地被电力地、液压地、气动地或以任何其它合适的方式驱动。

燃料喷射器32可设置在气缸盖20内并通过多个分配管线50流体连接至共轨34。每个燃料喷射器32都可操作以在预定时机、燃料压力和燃料流量下将一定量的加压燃料喷射到相关联的燃烧室22内。燃料喷射到燃烧室22内的时机可以与活塞18的运动同步。例如，可以在活塞18于压缩冲程期间接近上止点位置时喷射燃料，以允许压燃燃烧已喷射的燃料。替代地，可以在活塞18开始压缩冲程朝向上止点行进时喷射燃料，以用于均质压燃操作。还可以在活塞18于膨胀冲程期间从上止点位置朝向下止点位置移动时喷射燃料用于延迟后喷射(late post injection)，以形成用于后处理再生的还原性气氛。

图2示出了可以与图1所示的发动机10结合使用的燃料喷射器32的截面图。具体而言，每个燃料喷射器32都可包括容纳引导件54、喷嘴部件56和针阀元件58的喷射器体部52。设想到，如果需要则每个燃料喷射器32都可包括附加的构件或者与图2所示的那些不同的构件，诸如，螺线管致动器和附加的阀元件。还设想到，燃料喷射器32可替代地是其它类型的燃料喷射装置，诸如，机械致动的电控喷射器、数控的燃料阀，或本领域已知的任何其它类型的燃料喷射器。

喷射器体部52可以是构造成用于组装在气缸盖20内的圆柱形部件。喷射器体部52可具有中心孔60和开口62，所述中心孔用于接收引导件54和喷嘴部件56，该喷嘴部件56的末端64可伸出开口62。可以在引导件54与喷嘴部件56之间设置密封部件——例如O形圈(未示出)——以限制燃料从燃料喷射器32泄漏。

引导件54也可以是圆柱形部件，该引导件具有控制腔室70和构造成用于接收针阀部件(即，针阀元件)58的中心孔68。中心孔68可以用作保持自燃料供给通路71供给的加压燃料的压力腔室。在喷射期间，来自分配管线50的加压燃料可以通过燃料供给通路71和中心孔68流动至喷嘴部件56。

控制腔室70可以选择性地排放或被供给加压燃料以使针阀元件58移动。具体而言，控制通路73可以使控制腔室70与燃料储器28流体地连接用于控制腔室70的排放和填充。也可以经由供给通路75和端口74向控制腔室70供给加压流体，所述端口与针阀部件58轴向对齐并与燃料供给通路71连通。端口74的直径可以比控制通路73和供给通路75的直径小以允许当控制通路73排放加压燃料时在控制腔室70内的压力下降。当控制腔室70填充燃料时，针阀部件58可向下移动。当控制腔室70排放燃料时，针阀部件58可向上移动。

如图3A所示，喷嘴部件56可以是具有中心孔76的圆柱形部件，具有构造成接收针阀部件58的深盲式中心孔76。喷嘴部件56可包括定位成朝向喷嘴部件56的末端64的座靠表面(支持表面)78。喷嘴部件56的末端64可包括凹湾状部66。一个或多个孔口80可以设置成与在末端64的壁内的凹湾状部66连通。每个孔口80都可以再次引导加压燃料从凹湾状部66通过孔口80以喷射到发动机10的相关联的燃烧室22中。

孔口80可以相对于中心孔76以天顶角φ偏斜。天顶角φ是由孔口80的中心轴线与中心孔76的中心轴线形成的角。例如，图3A中的角φ示出了用于孔口80的天顶角。天顶角φ的大小可以选择成例如用于确保来自孔口80的燃料射流使活塞18的一些部分或全部变湿。天顶角φ也可以基于对本领域技术人员显而易见的其它设计考量进行选择，用于促进燃料和空气在燃烧室22中的混合。孔口80可以是圆柱形或圆锥形的。然而，本领域技术人员将认识到，孔口80可具有任何其它类型的合适的形状。孔口80的形状、尺寸和数量可以选择成用于确保可以将充分的燃料喷射到燃烧室22中，并确保所喷射的燃料在燃烧室22中适当地雾化并与空气混合。在一个示例性实施例中，孔口80的直径可以是约0.3至0.45mm。

如图3B所示，孔口80中的一个或多个可以相对于中心孔76的径向方向以方位角θ偏斜。方位角θ是在与中心孔正交的平面上测量的、由孔口80的中心轴线与中心孔76的与孔口80的中心轴线相交的径向方向形成的角。例如，图3B中的角θ示出了用于孔口80的方位角。方位角θ的大小可以选择成使得从孔口80中喷射的燃料不与从相邻孔口80中喷射出的燃料相互作用。此外，方位角θ的大小可以选择成用于确保燃料不使燃烧室22的壁变湿。燃烧室的壁因燃料变湿是不希望的，因为这会在燃烧过程中促进炭烟的形成。因此，例如，使孔口偏斜而不是沿径向喷射出燃料可增加燃料射流在到达燃烧室22的壁之前必须行进的距离，借此降低了燃烧室22的壁变湿的可能性。设想到，每一个孔口80都可以相对于中心孔76的径向方向以相同或不同的方位角偏斜。例如，图3B示出两个孔口80，其中一个以方位角θ偏斜而另一个以不同的方位角β偏斜。在一些实施例中，方位角θ和β的大小可以相等。如图3B所示，孔口80相对于中心孔76的径向方向以正的方位角θ或β偏斜。设想到，孔口80可以相对于中心孔76的径向方向以负的方位角θ或β偏斜。在示例性实施例中，方位角θ和β的范围可从0到6度。

针阀元件58可以是细长的圆柱形部件，其可滑动地设置在壳体引导件54和喷嘴部件56内。针阀元件58可以沿轴向在第一位置与第二位置之间移动；在所述第一位置，定位于针阀元件58的末端82处的密封表面81接合座靠表面78以阻断燃料流动至凹湾状部66和孔口80；在所述第二位置，燃料流动到凹湾状部66中并可被引导通过孔口80进入燃烧室22内。

针阀元件58通常朝向所述第一位置偏压。具体地，如图2中可见，每个燃料喷射器32都可以包括设置在引导件54的止挡部92与针阀元件58的座靠表面94之间的弹簧90，用以朝向孔口阻断位置沿轴向偏压末端82。第一垫片96可以设置在弹簧90与止挡部92之间，第二垫片98可以设置在弹簧90和座靠表面94之间，用以减少燃料喷射器32内的构件的磨损。

针阀元件58可具有多个驱动液压表面。具体地，针阀元件58可包括：液压表面100，当控制腔室70内的加压燃料作用在液压表面100上时该液压表面趋于朝向所述第一位置驱动针阀元件58；和液压表面104，其趋于对抗弹簧90的偏压并在相反方向上朝向所述第二位置驱动针阀元件58。针阀元件58可以构造成当被朝向第二位置偏压时基本上限制或甚至阻断燃料经供给通路75的流动。

工业适用性

本发明的燃料喷射器广泛应用于各种发动机类型，包括例如柴油发动机、汽油发动机和气体燃料动力发动机。所公开的燃料喷射器可以应用于利用加压燃料系统的任何发动机中，其中有利的是以一角度偏斜，燃料以该角度被喷射到燃烧室中。现在将说明燃料喷射器32的操作。

针阀元件58可借助于由流体压力产生的不平衡力而移动。例如，当针阀元件58在第一位置或阻流位置座靠着座靠表面78时，来自燃料供给源和控制通路75、73的加压燃料可流动到控制腔室70中以作用在液压表面100上。同时，来自燃料供给通路71的加压燃料可以流动到中心孔68中以待喷射。弹簧90的力结合在液压表面100形成的液压力可以比在液压表面104形成的对向力大，从而使针阀元件58保持在所述第一位置并阻断燃料流动至凹湾状部66和通过孔口80。为了允许燃料流动到凹湾状部66中，可以将加压燃料从控制腔室70和液压表面100排走。作用在液压表面100上的压力的降低可允许作用于整个液压表面104的对向力克服弹簧90的偏压力，从而使针阀元件58的密封表面81移动离开座靠表面78。

所公开的燃料喷射器可由于燃料偏斜地喷射到燃烧室中而改善燃料的雾化和燃料与空气的混合。现在将描述方位角的选择。在活塞18的进气冲程期间进入燃烧室22的空气可具有相对于空气速度的涡旋部分。例如，空气可以顺时针或逆时针方向围绕燃烧室22涡旋。在涡旋方向或与涡旋方向相逆的方向上引导燃料射流可以改善燃料的雾化并促进燃料与空气的混合。改善的燃料的雾化和燃料与空气的混合可以提高燃烧室22中的燃烧效率，并且还可以改善燃料消耗并减少炭烟形成。

是在涡旋方向还是在与涡旋方向相逆的方向上喷射燃料可至少部分地由被喷射到燃烧室22中的燃料所处压力来确定。由孔口80在相对较高的燃料喷射压力下喷射的燃料可在燃烧室22中穿透较大的距离，并且更可能使燃烧室22的壁变湿。在相对高的燃料喷射压力下，将来自孔口80的燃料喷射在空气涡旋的方向上以帮助防止燃料使燃烧室22的壁变湿可以是有利的。防止燃料弄湿燃烧室22的壁可以帮助在燃料的燃烧过程中减少炭烟的形成。因此，例如，当燃烧室22中的空气具有在逆时针方向上的对应于涡旋数3.1的涡旋并且燃料喷射压力大于约110MPa时，选择其中孔口80的方位角θ和β为正的燃料喷射器可以是有利的。

相较而言，在较低的喷射压力下喷射的燃料可能会经历不完全雾化且不能够与燃烧室22中的空气混合均匀。逆着涡旋的方向以较低的喷射压力喷射燃料可以允许燃料射流与空气的较大表面区域相互作用，这可以改善燃料的雾化并且还可以使燃料与空气更好地混合。因此，例如，当进入燃烧室22的空气具有在逆时针方向上的对应于涡旋数3.1的涡旋并且燃料喷射压力低于或等于约110MPa时，选择其中孔口80的方位角θ和β为负的燃料喷射器可以是有利的。设想到，可以在涡旋的方向上或在逆着涡旋的方向上喷射燃料，而与燃料喷射压力无关。可以通过在较高喷射压力下在涡旋方向上喷射燃料和在较低喷射压力下在与涡旋的方向相逆的方向上喷射燃料来实现较大提高的燃料效率和较大的炭烟形成减少量。

对本领域技术人员显而易见的是可以对本发明的燃料喷射器喷嘴进行各种修改和变型而不脱离本发明的范围。所述燃料喷射器喷嘴的其它实施例将通过考虑本文所公开的燃料喷射器喷嘴的说明书和实践而对本领域技术人员显而易见。说明书和实施例意在被认为仅是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求及其等同方案表明。

Claims (10)

1.一种用于燃料喷射器(32)的喷嘴(56)，该喷嘴包括：

体部(52)，其具有基端、末端(64)和从该基端延伸到该末端的中心孔(76)；

位于所述中心孔内在所述末端处的凹湾状部(66)；和

位于所述末端内并与所述凹湾状部连通的孔口(80)，该孔口相对于所述中心孔的径向方向以一方位角偏斜。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述孔口还相对于所述中心孔以一天顶角偏斜。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述方位角相对于所述中心孔的径向方向是负的。

4.根据权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述方位角相对于所述中心孔的径向方向是正的。

5.根据权利要求3或4所述的喷嘴，其特征在于，所述方位角的大小是约0至6度。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于：

所述孔口是第一孔口(80)；

所述方位角是第一方位角；和

所述喷嘴包括第二孔口(80)，所述第二孔口相对于所述中心孔的径向方向以第二方位角偏斜。

7.根据权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述第一方位角和所述第二方位角相等。

8.一种将燃料喷射到具有燃烧室(22)的发动机(10)中的方法，该方法包括：

对燃料加压；

引导加压燃料流经喷嘴部件(56)的中心孔(76)到达凹湾状部(66)；以及

在相对于所述中心孔的径向方向以一方位角偏斜的方向上再次引导所述燃料经孔口(80)到达所述燃烧室。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

在也相对于所述中心孔以一天顶角偏斜的方向上再次引导所述燃料经所述孔口到达所述燃烧室。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

确定所述燃烧室中的空气涡旋的方向；

确定流过所述中心孔的燃料的压力；以及

基于空气涡旋的方向和燃料的压力选择所述方位角。