CN110805513B - 一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴 - Google Patents

一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴 Download PDF

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Abstract

一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，本发明包括喷嘴本体，在所述喷嘴本体上设置一个或多个喷孔，其特征在于，其中至少一个喷孔的横截面为椭圆形，所述喷孔入口到出口横截面椭圆形的长轴沿着喷孔轴线旋转，所述椭圆形的长宽比可沿着喷孔轴线变化。本发明采用具备扭转椭圆横截面结果的喷孔，可以在喷孔内部形成强烈的湍流扰动，促进射流扩散与混合，并采用椭圆横截面长短轴长度可变的设计，使喷孔具有良好的保压性能和空化特性，进一步改善射流混合与扩散。通过数值计算发现，本发明应用于直喷式柴油机，可在相同喷射压力下使喷雾粒子平均直径减小10％，发动机热效率提高2％，颗粒物排放降低20％。

Description

一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴
技术领域
本发明涉及流体喷射技术领域，具体而言，尤其涉及一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴。
背景技术
在工业、农业、医疗卫生、国防科技等多个领域的应用实践中，均涉及到流体喷射技术，在一定压力下利用喷嘴喷射流体，以实现各自的目的。如在内燃机领域，采用液体燃料时，需要通过压力喷嘴将一定量的液体燃料在极短的时间内喷入进气管路或气缸，形成喷雾，以便燃料与空气快速、充分混合及燃烧，喷嘴作为实施喷射的载体，对液体燃料的喷雾特性有重要影响，进而影响内燃机的燃烧和排放特性。
在流体喷嘴中一般需要设置喷孔，喷孔的几何结构及尺寸对喷射特性有重要影响。当前使用最多的是横截面为圆形的喷孔，如柱形喷孔、锥形喷孔，锥形喷孔包括渐缩锥形和渐扩锥形喷孔，但其雾化效果不甚理想。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴。本发明能够产生适宜的内部湍流扰动，从而进一步改善液体喷雾特性。如该类喷嘴应用于内燃机，则可以在喷嘴内部产生适宜的空化气泡和速度分布特性，进而改善发动机的喷雾混合气形成和燃烧性能。
本发明采用的技术手段如下：
一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，包括喷嘴本体，在所述喷嘴本体上设置一个或多个喷孔，其中至少一个喷孔的横截面为椭圆形，所述喷孔入口到出口横截面椭圆形的长轴沿着喷孔轴线旋转，所述椭圆形的长宽比可沿着喷孔轴线变化。
进一步地，所述椭圆形横截面轮廓线满足如下公式：
Figure GDA0002981242190000021
其中，xy平面为喷孔横截面；
x轴为喷孔入口处长轴的方向；
y轴为喷孔入口处短轴的方向；
z轴为喷孔轴线方向，其零点为喷孔入口横截面的中心；
k表示缩放因子；
ka表示喷孔椭圆形横截面长轴长度的一半；
kb表示喷孔椭圆形横截面短轴长度的一半(a＞b)；
L表示喷孔长度；
Θ表示从喷孔入口到出口，喷孔横截面上椭圆长轴沿喷孔轴线扭转的角度。
进一步地，所述椭圆的偏心率大于0.05且小于0.95；喷孔横截面长轴的扭转角度Θ取值范围为：0°＜Θ≤360°。
进一步地，当缩放因子k＝1时，对应的喷孔为等面积型喷孔；当缩放因子k＝mz+n，且m＞0时，从喷孔入口到出口，喷孔椭圆形横截面的长轴和短轴等比例线性增加；当缩放因子k＝mz+n，且m＜0时，从喷孔入口到出口，喷孔椭圆形横截面的长轴和短轴等比例线性减小。
进一步地，当
Figure GDA0002981242190000022
喷孔具备面积渐缩型的椭圆形横截面；当
Figure GDA0002981242190000023
喷孔具备面积渐扩型的椭圆形横截面；
其中，缩放因子k＝f(z)，f(z)为模大于零的连续函数，表示缩放因子k随喷孔轴线位置z遵循函数f(z)的所述规律渐变。
进一步地，缩放因子k的取值范围应满足：1≤k2≤2，即喷孔最大横截面积与最小横截面积之比不大于2。
本发明适用于各种需采用喷嘴、喷头或喷射器等设备进行液体或气体喷射的领域。本发明与现有技术相比，可强化喷嘴的喷孔内部湍流扰动，在液体喷射条件下还可改善喷嘴内部空化气泡生成和速度分布，从而使喷嘴获得更好的喷射和混合特性，且椭圆形加工难度较低。如应用于直喷式柴油机的燃油喷嘴，可在相同喷射压力下使喷雾粒子平均直径减小10％，发动机热效率提高2％，颗粒物排放量降低20％。
基于上述理由本发明可在流体喷射技术领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种具备等面积型扭转椭圆横截面喷孔的立体结构示意图。
图2为本发明实施例中一种流体喷嘴本体和喷孔的示意图。
图3为本发明图1所述喷孔的右视图。
图4为本发明实施例中一种渐缩型扭转椭圆横截面喷孔。
图5为本发明图4所述喷孔的右视图。
图6为本发明实施例中一种渐扩型扭转椭圆横截面喷孔。
图7为本发明图6所述喷孔的右视图。
图8为本发明实施例中一种渐缩-渐扩型2段组合的扭转椭圆横截面喷孔。
图9为本发明图8所述喷孔的右视图。
图10为本发明图8所述喷孔的缩放因子k随喷孔轴线的变化趋势。
图中：1、喷嘴本体；2、扭转式椭圆形喷孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本发明提供了一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，包括喷嘴本体1，在所述喷嘴本体上设置一个或多个喷孔2，其中至少一个喷孔的横截面为椭圆形，所述喷孔入口到出口横截面椭圆形的长轴沿着喷孔轴线旋转，所述椭圆形的长宽比可沿着喷孔轴线变化。
所述椭圆形横截面轮廓线满足如下公式：
Figure GDA0002981242190000051
其中，xy平面为喷孔横截面；
x轴为喷孔入口处长轴的方向；
y轴为喷孔入口处短轴的方向；
z轴为喷孔轴线方向，其零点为喷孔入口横截面的中心；
k表示缩放因子；
ka表示喷孔椭圆形横截面长轴长度的一半；
kb表示喷孔椭圆形横截面短轴长度的一半(a＞b)；
L表示喷孔长度；
Θ表示从喷孔入口到出口，喷孔横截面上椭圆长轴沿喷孔轴线扭转的角度。
所述椭圆的偏心率大于0.05且小于0.95；喷孔横截面长轴的扭转角度Θ取值范围为：0°＜Θ≤360°。
当缩放因子k＝1时，对应的喷孔为等面积型喷孔；当缩放因子k＝mz+n，且m＞0时，从喷孔入口到出口，喷孔椭圆形横截面的长轴和短轴等比例线性增加；当缩放因子k＝mz+n，且m＜0时，从喷孔入口到出口，喷孔椭圆形横截面的长轴和短轴等比例线性减小。
当
Figure GDA0002981242190000061
喷孔具备面积渐缩型的椭圆形横截面；当
Figure GDA0002981242190000062
喷孔具备面积渐扩型的椭圆形横截面；
其中，缩放因子k＝f(z)，f(z)为模大于零的连续函数，表示缩放因子k随喷孔轴线位置z遵循函数f(z)的所述规律渐变。
缩放因子k的取值范围应满足：1≤k2≤2，即喷孔最大横截面积与最小横截面积之比不大于2。
实施例1
如图2所示和图3所示为等面积型扭转椭圆横截面喷孔，其中，ka取值为0.5mm，kb取值为0.3mm，L取值为3mm，θ取值为90°。
相对于圆形直孔，本实例的喷孔内部产生了更加强烈的湍流扰动，在喷孔出口会产生更多的空化气泡，这两方面的影响都促进了喷嘴的一次雾化和混合气形成。
实施例2
如图4和图5所示，在本实例中，其余参数与实施实例1相同，缩放因子k的取值遵循：k＝mz+n，其中m＝-0.08,n＝1，构成渐缩型扭转椭圆横截面喷孔，其出口面积与入口面积之比为0.58。
相对于圆形直孔，本实例的喷孔由于具有渐缩型的结构，因而有很强的保压作用，同时也保留了扭转椭圆喷孔增强内部湍流扰动的特点，计算表明该结构使得180MPa喷射压力下喷孔出口总能量比圆形直孔增加18％，燃油以更高的能量进入燃烧室将有利于改善其混合与燃烧。
实施例3
如图6和图7所示。在本实例中，其余参数与实施实例1相同，缩放因子k的取值遵循：k＝mz+n，其中m＝0.08,n＝0.76，构成渐扩型扭转椭圆横截面喷孔，其出口面积与入口面积之比为1.73。
相对于圆形直孔，本实例的喷孔具有扭转椭圆喷孔增强内部湍流扰动的特点，又由于具备渐扩型的结构，因而可在喷孔出口产生更多的空化气泡，计算表明该结构使得180MPa喷射压力下喷孔出口空化气泡数密度比圆形直孔增加68％，这些气泡的溃灭将更进一步地促进燃油射流雾化，从而改善内燃机缸内的混合气形成与燃烧。
实施例4
如图8、图9和图10所示。在本实例中，其余参数与实施实例1相同，缩放因子k的取值遵循：k＝f(z)＝m+n(z-pL)^2，其中0<p<1，构成渐缩-渐扩型扭转椭圆横截面喷孔，其结合位置处于z＝pL处，该位置喷孔横截面积最小。在本实例中，取m＝0.8,n＝0.05，p＝2/3，则缩放因子k沿喷孔轴线的变化趋势如图10所示。喷嘴最大横截面积在入口处，喷孔最大横截面积与最小横截面积之比为1.56，喷孔出口面积与入口面积之比为1.38。
相对于圆形直孔，本实例的喷孔具备扭转椭圆喷孔增强内部湍流扰动的特点，还由于其具备渐缩-渐扩型的结构，因而本实例所述喷孔既具备渐缩型喷孔结构导致的较强的保压作用，使喷孔出口燃油的总能量增加，又具备渐扩型喷孔出口空化气泡数量较大的特点。计算表明该结构使得180MPa喷射压力下喷孔出口总能量比圆形直孔提高13％，且空化气泡数密度比圆形直孔增加35％，这些气泡的溃灭将更进一步地促进燃油射流雾化与混合。通过数值计算发现，本发明应用于直喷式柴油机，可在相同喷射压力下使喷雾粒子平均直径减小10％，发动机热效率提高2％，颗粒物排放降低20％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，其特征在于，包括喷嘴本体，在所述喷嘴本体上设置一个或多个喷孔，其特征在于，其中至少一个喷孔的横截面为椭圆形，所述喷孔入口到出口横截面椭圆形的长轴沿着喷孔轴线旋转，所述椭圆形的长宽比沿着喷孔轴线变化；
所述椭圆形横截面轮廓线满足如下公式：
Figure FDA0003000922620000011
其中，(x，y，z)表示所述椭圆形横截面轮廓线上的点的三维空间坐标，xy平面为喷孔横截面；
x轴为喷孔入口处长轴的方向；
y轴为喷孔入口处短轴的方向；
z轴为喷孔轴线方向，其零点为喷孔入口横截面的中心；
k表示缩放因子；
ka表示喷孔椭圆形横截面长轴长度的一半；
kb表示喷孔椭圆形横截面短轴长度的一半(a＞b)；
L表示喷孔长度；
Θ表示从喷孔入口到出口，喷孔横截面上椭圆长轴沿喷孔轴线扭转的角度，
Figure FDA0003000922620000012
表示角度。
2.根据权利要求1所述的带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，其特征在于，所述椭圆的偏心率大于0.05且小于0.95；喷孔横截面长轴的扭转角度Θ取值范围为：0°＜Θ≤360°。
3.根据权利要求1所述的带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，其特征在于，当缩放因子k＝1时，对应的喷孔为等面积型喷孔；当缩放因子k＝mz+n，且m＞0时，从喷孔入口到出口，喷孔椭圆形横截面的长轴和短轴等比例线性增加；当缩放因子k＝mz+n，且m＜0时，从喷孔入口到出口，喷孔椭圆形横截面的长轴和短轴等比例线性减小。
4.根据权利要求1或3所述的带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，其特征在于，当
Figure FDA0003000922620000021
喷孔具备面积渐缩型的椭圆形横截面；当
Figure FDA0003000922620000022
喷孔具备面积渐扩型的椭圆形横截面；
其中，缩放因子k＝f(z)，f(z)为模大于零的连续函数，表示缩放因子k随喷孔轴线位置的z坐标值遵循函数f(z)的规律渐变。
5.根据权利要求4所述的带扭转式椭圆形喷孔的喷嘴，其特征在于，缩放因子k的取值范围应满足：1≤k2≤2，即喷孔最大横截面积与最小横截面积之比不大于2。
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