CN104806400B - 一种燃料喷射器 - Google Patents

Abstract

一种燃料喷射器，包括针阀、阀座，所述针阀包括针阀头部和针阀尾部，针阀尾部为空腔结构；所述针阀头部表面与阀座的内环面之间形成一圆柱形管状体，该圆柱形管状体与针阀尾部的空腔构成燃料喷射器的渐缩渐扩流通管道。本申请所述的一种燃料喷射器，可以提高燃料喷射器喷孔处的燃油喷射速度，改善喷孔出口后的燃油雾化特性，而不需要增加外部条件如提高喷射压力或增加其他零部件，超音速气流的气动力作用还可以增加喷嘴出口处的涡流，使得喷雾向轴线处收拢，进一步地细化喷雾粒径改善喷雾特性。

Description

一种燃料喷射器

技术领域

本申请涉及航空发动机缸内燃油喷射系统领域，具体是一种燃料喷射器。

背景技术

燃料喷射器是将一定量、一定压力的燃料与压缩空气进行预混合并一起喷入到航空发动机汽缸中的装置。航空发动机主要以煤油为燃油介质。但是煤油的蒸发性较差，在活塞发动机工作循环中火花塞点火之前燃料的蒸发时间不够。为了使得混合燃料更好地进行着火燃烧，应要求尽可能地细化燃料粒径，以缩短燃料的蒸发时间。

目前，为了使燃料更充分燃烧通常采用以下措施：1）采用高压喷射；2）采用减小喷孔直径；3）设置雾化器。

为了获得良好质量的喷雾，可以提高燃料喷射的压力，但随之而来就带来成本的急剧升高，另外，高压喷射的喷雾贯穿距离较大，会出现燃油撞击到活塞和燃烧室壁面的情况，而这影响HC和CO的排放。

为了获得小的喷雾粒径，在提高喷射压力的同时，还呈现出了缩小喷孔直径的趋势，但缩小喷孔直径会带来加工成本高、喷孔长径比增大、流量系数降低等问题。喷雾的雾化粒径决定了油滴的蒸发速度，尽可能地减小喷雾粒径、提高喷雾质量是目前空气辅助雾化喷射器的技术难点之一。

如CN1155922A公开了一种用于燃油喷射器的多盘形空气辅助雾化器。该空气辅助雾化器采用多个盘叠摞而成设置在套筒中，其中一个盘的辅助空气进口与另一个盘的辅助空气进口在周向上有一定偏移，从而使辅助空气沿径向达到那些在轴向和周向均有彼此偏移的位置，所述的套筒罩在燃油喷射器喷嘴端上。该技术通过辅助空气流对已喷射燃油的作用，改进燃油的雾化，从而使燃油进一步细化，减小燃油颗粒大小。

设置雾化器增加了空气辅助雾化喷射器的零部件数目，提高了加工成本，也增加了装配难度。另外采用多个盘叠摞在套筒内，给空气与燃料的混合物流动增加了很多不确定因素，各个盘的周向布置和相互位置对整个燃料混合物的流动会有很大的影响。多个盘叠摞在套筒内，使得残余燃料极其容易堆积在有一定形状的盘的边缘缺口处，容易引起喷孔堵塞积碳，不利于良好喷雾的形成。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种燃料喷射器，其可以提高燃料喷射器喷孔处的燃油喷射速度，改善喷孔出口后的燃油雾化特性。

本申请通过以下技术方案实现：

一种燃料喷射器，包括针阀、阀座，所述针阀包括针阀头部和针阀尾部，针阀尾部为空腔结构；针阀头部的针阀头部表面的型线包括a型线直线段、b型线直线段、c型线直线段，a型线直线段与针阀的轴线平行，b型线直线段与轴线成10°-20°的夹角，c型线直线段与轴线成60°-70°的夹角，a型线直线段与b型线直线段，b型线直线段与c型线直线段之间以圆弧相切过渡；所述针阀头部表面与阀座的内环面之间形成一圆柱形管状体，该圆柱形管状体与针阀尾部的空腔构成空气辅助雾化喷射器的流通管道，该流通管道包括第一级流通管道和第二级流通管道，其中，第一级流通管道由入口段、中间段和过渡段三部分构成渐缩渐扩的形状，中间段的流通截面积最小；第二级流通管道由过渡段、密封段和出口段三部分构成渐缩渐扩的形状，密封段的流通截面积最小。

所述中间段的流通截面积和密封段的流通截面积均大于针阀尾部空腔的流通截面积。

所述的一种燃料喷射器，还包括导流套、衔铁、定铁芯、弹簧以及电磁线圈总成，所述衔铁、定铁芯依次套设在针阀外部，其中，衔铁固定套设于针阀尾部的顶端，衔铁上方固定设置有导流套，导流套具有导流套内腔，导流套内腔与针阀尾部的空腔同轴，且导流套内腔的外径小于等于针阀尾部空腔的直径，衔铁与导流套之间存在间隙，衔铁与针阀能在此间隙内整体轴向移动；定铁芯与针阀外部之间存在间隙，衔铁与定铁芯之间设置有弹簧，衔铁与定铁芯的外侧固定套设有电磁线圈总成；阀座固定设置于定铁芯的一端，且阀座套设于针阀头部外部。

一种燃料喷射器，当燃料喷射器处于静止状态时，衔铁在弹簧的作用下与定铁芯保持一定的距离，针阀头部和阀座保持紧密贴合的状态，在针阀头部上形成一密封面，针阀头部表面与阀座的内环面之间形成的圆柱形管状体与导流套内腔、针阀尾部的空腔构成燃料喷射器的燃油通道，整个燃油通道内充满燃油。

所述电磁线圈总成包括线圈和设置在线圈外围的磁性材料，当线圈被通电时，线圈周围的磁性材料瞬时建立磁场，该磁场产生的电磁力使得衔铁克服弹簧的恢复力使衔铁带动针阀运动，针阀头部开始离开阀座，贯穿于整个燃油通道的燃油从密封面经过，形成喷雾喷入发动机的燃烧室。

与现有技术相比，本申请所述空气辅助雾化喷射器具有以下优点：

1、本申请所述的一种燃料喷射器，可以提高燃料喷射器喷孔处的燃油喷射速度，改善喷孔出口后的燃油雾化特性，而不需要增加外部条件如提高喷射压力或增加其他零部件。

2、本申请所述的一种燃料喷射器，超音速气流的气动力作用还可以增加喷嘴出口处的涡流，使得喷雾向轴线处收拢，进一步地细化喷雾粒径改善喷雾特性。

3、本申请所述的一种燃料喷射器，针阀头部型线的直线段之间以圆弧相切圆滑过渡，避免产生针阀头部内应力集中，同时使气流平缓过渡，使得燃油流速在喷嘴出口处更加均匀有利于喷雾的对称性，另一方面针阀头部型线设计时考虑到燃油流通面积的大小应不小于针阀内腔的流通面积，避免产生燃油节流，从而可以减少喷嘴头部的燃油的压力损失。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1显示了本申请所述燃料喷射器的整体结构剖视图；

图2显示了本申请所述燃料喷射器针阀头部的局部结构示意图；

图3显示了本申请所述燃料喷射器在关闭状态时针阀头部与阀座形成密封面的结构示意图；

图4显示了本申请所述燃料喷射器在开启状态时针阀头部与阀座形成头部流通管道的结构示意图；

其中有：2.针阀；21.针阀尾部；22.针阀头部；23.针阀头部表面；24. 针阀尾部的顶端；25.密封面；3.阀座；31.内环面；4.导流套；41.导流套内腔；5.衔铁；6.定铁芯；7.弹簧；8.电磁线圈总成；81.线圈； 10.流通管道；11.第一级流通管道；12.第二级流通管道；13.入口段；14.中间段；15.过渡段；16.密封段；17.出口段；18.出口处；a型线直线段；b型线直线段；c型线直线段。

具体实施方式

为使本申请的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，以纵剖图示出了本申请的一种燃料喷射器。该燃料喷射器包括针阀2、阀座3、导流套4、衔铁5、定铁芯6、弹簧7以及电磁线圈总成8。衔铁5固定套设于针阀尾部的顶端24，衔铁5上方固定设置有导流套4，导流套4具有导流套内腔41，导流套内腔41与针阀尾部21的空腔同轴，且导流套内腔41的外径小于等于针阀尾部21空腔的直径，衔铁5与导流套4之间存在间隙，衔铁5与针阀2能在此间隙内整体轴向移动；定铁芯6与针阀2外部之间存在间隙，衔铁5与定铁芯6之间设置有弹簧7，衔铁5与定铁芯6的外侧固定套设有电磁线圈总成8；阀座3固定设置于定铁芯6的一端，且阀座3套设于针阀头部22外部。

所述针阀尾部的顶端24与衔铁5刚性地连接，针阀2能轴向移动且在关闭位置时防止燃油喷射，在开启位置时允许燃油喷射。

如图3所示，所述针阀2包括针阀头部22和针阀尾部21，针阀尾部21为空腔结构，针阀头部22具有一定的型线，该型线构成的针阀头部表面23与阀座3的内环面31之间形成一圆柱形管状体，该圆柱形管状体与导流套内腔41、针阀尾部21的空腔构成燃料喷射器的燃油通道。

如图2所示，所述针阀头部22的针阀头部表面23的型线，包括a型线直线段、b型线直线段、c型线直线段，a型线直线段与针阀2的轴线平行，b型线直线段与轴线成10°-20°的夹角，c型线直线段与轴线成60°-70°的夹角，a型线直线段与b型线直线段，b型线直线段与c型线直线段之间以圆弧相切过渡。

当燃料喷射器处于静止状态时，衔铁5在弹簧7的作用下与定铁芯6保持一定的距离，针阀头部22和阀座3保持紧密贴合的状态，在针阀头部22上形成一密封面25，针阀头部表面23与阀座内环面31之间形成的圆柱形管状体与导流套内腔41、针阀尾部21的空腔构成燃料喷射器的燃油通道，整个燃油通道内充满燃油。当线圈81被通电时，线圈81周围的磁性材料瞬时建立磁场，该磁场产生的电磁力使得衔铁5克服弹簧7的恢复力而向下运动，衔铁5带动针阀2同样向下运动。针阀头部22开始离开阀座3，贯穿于整个燃油通道的燃油从密封面25经过，形成喷雾喷入发动机的燃烧室。

当切断线圈81电流时，在磁场足够衰减后，电磁力消失，衔铁5在弹簧7的作用下向上抬起，与衔铁5刚性连接的针阀2也随之向上运动，针阀头部22最终提升在阀座3上，燃料喷射器闭合从而完成了一次喷射。

图4是燃料喷射器开启状态时的头部流通管道放大示意图。当燃料喷射器开启时，针阀头部表面23与内环面31组成两级渐缩渐扩的流通管道10，即两级拉伐尔管。第一级流通管道11由入口段13、中间段14和过渡段15这三部分组成；第二级流通管道12由过渡段15、密封段16和出口段17这三部分组成。第一级流通管道11的三部分的流通面积中，中间段14的流通截面积最小，三者组成渐缩渐扩的形式。第二级流通管道12的三部分的流通面积中，密封段16的流通截面积最小，三者组成渐缩渐扩的形式。

以上所述的两级渐缩渐扩的流通管道10，即两级拉伐尔管，通过该设计可以提高燃油的喷射速度。根据拉伐尔管的技术，流通管道10内的气流可以看出一维等熵定常流动，流场中任一点的流速与该点处气体的音速的比值叫做该点处的马赫数。根据气体动力学原理，管道收缩段，此时马赫数小于1，同时管道截面面积逐渐缩小，气体流速由低速增大至音速，此阶段也称为亚音速段；管道喉口段，此时马赫数等于1，管道截面面积达到最小，此时气体流速达到临界速度即音速，此阶段称为音速段；管道扩张段，此时马赫数大于1，同时管道截面面积逐渐扩大 ，气体流速进一步扩大，在管道出口处获得比音速还要大的流速即超音速。

将燃料喷射器的流通管道10的结构设计成两级拉伐尔管，可使得气流通过渐缩渐扩的第一级流通管道11时，过渡段15的气流流速远远大于入口段13的流速，当通过渐缩渐扩的第二级通管道12流时，喷射器的出口处18的流速又远远大于过渡段15的流速，由此产生了速度更大的气流，可以提高燃料喷射器喷孔处的燃油喷射速度，改善喷孔出口后的燃油雾化特性。

针阀头部22型线的直线段之间以圆弧相切圆滑过渡，避免产生针阀头部22内应力集中，同时使气流平缓过渡，使得燃油流速在喷嘴出口处更加均匀有利于喷雾的对称性，另一方面针阀头部22型线设计时必须考虑燃油流通面积的大小应不小于针阀尾部21空腔的流通面积，避免产生燃油节流，从而可以减少喷嘴头部的燃油的压力损失。

当压缩空气和燃油的混合燃油离开喷嘴时，此时由于喷嘴内压缩空气压力与喷嘴出口即气缸内环境压力之比超过临界值使得混合燃油在流通面积突然增加的情况下产生膨胀，混合燃油在超音速气流的气动力作用下克服燃油液滴的表面张力促进燃油雾化得更加细小。喷雾液滴沿喷嘴出口切线方向离开喷嘴后，由于混合燃油的膨胀，喷嘴下方附近形成了一定真空，环境气体压力差迫使油束收缩，减小了喷雾锥角，并且形成明显的涡流。在涡流的影响下，喷雾向喷嘴轴线靠拢形成“卷吸”现象，有利于喷雾液滴的破碎，进一步细化了喷雾粒径，最终实现改善雾化的目的。

综上所述，本申请所提供的一种燃料喷射器，其针阀头部表面23与阀座3的内环面31组成的两级渐缩渐扩的流通管道，即两级拉伐尔管，可以提高燃料喷射器喷孔处的燃油喷射速度，改善喷孔出口后的燃油雾化特性，而不需要增加外部条件，如提高喷射压力或增加其他零部件。另一方面，超音速气流的气动力作用还可以增加喷嘴出口处的涡流，使得喷雾向轴线处收拢，进一步地细化喷雾粒径改善喷雾特性。

毫无疑问，本申请不局限于上述具体实施方式，本申请所述的燃料喷射器头部的燃油通道还可以通过改变阀座内环面的结构具有其他结构变形。总之，本申请的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说是显而易见的变化或替代以及改型。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或” 的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种燃料喷射器，其特征在于，包括针阀（2）、阀座（3），所述针阀（2）包括针阀头部（22）和针阀尾部（21），针阀尾部（21）为空腔结构；针阀头部（22）的针阀头部表面（23）的型线包括a型线直线段、b型线直线段、c型线直线段，a型线直线段与针阀（2）的轴线平行，b型线直线段与针阀（2）的轴线成10°-20°的夹角，c型线直线段与针阀（2）的轴线成60°-70°的夹角，且a型线直线段与b型线直线段之间，b型线直线段与c型线直线段之间以圆弧相切过渡；所述针阀头部表面（23）与阀座（3）的内环面（31）之间形成一圆柱形管状体，该圆柱形管状体与针阀尾部（21）的空腔构成空气辅助雾化喷射器的流通管道（10），该流通管道（10）包括第一级流通管道（11）和第二级流通管道（12），其中，第一级流通管道（11）由入口段（13）、中间段（14）和过渡段（15）三部分构成渐缩渐扩的形状，中间段（14）的流通截面积最小；第二级流通管道（12）由过渡段（15）、密封段（16）和出口段（17）三部分构成渐缩渐扩的形状，密封段（16）的流通截面积最小。

2.如权利要求1所述的一种燃料喷射器，其特征在于，所述中间段（14）的流通截面积和密封段（16）的流通截面积均大于针阀尾部（21）空腔的流通截面积。

3.如权利要求1所述的一种燃料喷射器，其特征在于，还包括导流套（4）、衔铁（5）、定铁芯（6）、弹簧（7）以及电磁线圈总成（8），所述衔铁（5）、定铁芯（6）依次套设在针阀（2）外部，其中，衔铁（5）固定套设于针阀尾部的顶端（24），衔铁（5）上方固定设置有导流套（4），导流套（4）具有导流套内腔（41），导流套内腔（41）与针阀尾部（21）的空腔同轴，且导流套内腔（41）的外径小于等于针阀尾部（21）空腔的直径，衔铁（5）与导流套（4）之间存在间隙，衔铁（5）与针阀（2）能在此间隙内整体轴向移动；定铁芯（6）与针阀（2）外部之间存在间隙，衔铁（5）与定铁芯（6）之间设置有弹簧（7），衔铁（5）与定铁芯（6）的外侧固定套设有电磁线圈总成（8）；阀座（3）固定设置于定铁芯（6）的一端，且阀座（3）套设于针阀头部（22）外部。

4.如权利要求3所述的一种燃料喷射器，其特征在于，当燃料喷射器处于静止状态时，针阀头部（22）和阀座（3）保持紧密贴合的状态，在针阀头部（22）上形成一密封面（25），针阀头部表面（23）与阀座（3）的内环面（31）之间形成的圆柱形管状体与导流套内腔（41）、针阀尾部（21）的空腔构成燃料喷射器的燃油通道，整个燃油通道内充满燃油。

5.如权利要求4所述的一种燃料喷射器，其特征在于，所述电磁线圈总成（8）包括线圈（81）和设置在线圈（81）外围的磁性材料，当线圈（81）被通电时，线圈（81）周围的磁性材料瞬时建立磁场，该磁场产生的电磁力使得衔铁（5）克服弹簧（7）的恢复力使衔铁（5）带动针阀（2）运动，针阀头部（22）开始离开阀座（3），贯穿于整个燃油通道的燃油从密封面（25）经过，形成喷雾喷入发动机的燃烧室。