CN112228262B - 一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器 - Google Patents

一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，包括针阀、针阀体、喷孔和压力室；喷油器的针阀的轴线与针阀体的轴线重合，所述针阀体的头部均布有多个相同的渐缩圆锥形的喷孔，所有喷孔的出口端均与压力室连通；喷油器的压力室由等直径的半球和圆柱组成，通过对喷油器几何结构进行优化，实现对不同负荷下柴油机喷油器内涡线空化现象进行强化，有效提高喷油器燃油雾化质量。

Description

一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器
技术领域
本发明属于柴油机燃油喷射雾化技术领域，尤其涉及一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器。
背景技术
柴油机是推动一个国家经济增长、社会运行的重要装备基础。高压共轨燃油喷射系统极大改善了燃油喷雾雾化质量，大幅提高了柴油机输出功率和扭矩，已成为世界柴油机动力的主流发展方向。系统中的电控喷油器作为联系燃油喷射和射流雾化的核心部件，是突破高压共轨燃油喷射技术的关键。当前，我国已发展成为全球柴油机的主要市场和生产国家，但国产电控喷油器在性能、可靠性及一致性上较国外同代产品仍存在一定差距，这已成为制约我国实现新一代柴油机的瓶颈技术之一。因此，亟需探明燃油射流喷雾雾化机理，实现对燃油喷射的精准控制，进而优化柴油机燃烧和排放性能。
目前，高压燃油射流雾化机理主要包括：湍流、空气动力学和空化。喷嘴内部湍流导致燃油射流表面出现不稳定波动，这些小尺度扰动放大了周围空气的气体动力学作用，引起液体射流破碎、雾化。由于空气动力学作用下的扰动所引起的射流破碎过程的时间尺度远大于射流的实际破碎过程，所以相比于空气动力学，喷嘴内部湍流是导致液体射流雾化的主要原因。而空化现象是高压喷射下柴油机喷嘴内部一种常见的气液两相流动，空化流动一方面增大了喷嘴内部流动的湍动能，加剧了燃油射流的不稳定性；另一方面，空化泡会跟随燃油主流被喷射出喷孔使射流发生内爆，引起强烈的不稳定扰动，加速射流破碎和雾化过程。柴油机喷油器喷嘴内部的空化现象根据诱因不同可被区分为几何诱导空化和涡线空化两种。其一、当燃油经喷油器喷嘴喷出时，喷嘴流道的改变诱使流动收缩、压力下降，沿喷孔壁面附近出现云片状几何诱导空化。其二、燃油经柴油机喷嘴喷出时，在喷嘴压力室和喷孔内因强烈的旋涡流动形成低压涡核区，沿涡核区域产生线形旋涡空化。现有的研究表明，与喷嘴内部湍流相比燃油流经喷油器喷嘴时产生的空化现象对燃油喷雾雾化过程的影响更为显著，尤其是涡线空化现象会导致射流呈中空喷雾形态，大大增加喷雾锥角；同时，涡线空化对喷孔流通性和喷嘴空蚀损毁问题的影响较小。然而，燃油喷射过程中柴油机喷嘴内部的涡线空化强度不稳定，因此涡线空化难以被有效应用于燃油雾化领域。
现有技术中，如CN105332840A中国授权发明专利“一种利用空化射流强化实现预混燃烧的方法”提供了一种采用阶梯式突扩形状喷孔实现气液两相油束喷射的方法，但是其主要利用了几何诱导空化，喷嘴的空蚀损毁问题被加剧。针对涡线空化，如目前处于实质审查状态的CN108197390A中国发明专利“一种两相低温液体膨胀机抗空化的优化设计方法”和CN108561195A中国发明专利“一种低温液体膨胀机内旋涡空化流动的有效控制方法”旨在抑制液力机械中涡线空化现象的发生，从而避免涡线空化现象对液力机械性能造成不良影响；CN109681361A中国发明专利“一种基于旋涡空化效应强化喷雾的喷油嘴”公开了一种利用喷嘴内旋涡空化来强化喷雾的喷油器，但其核心在于对针阀升程的限制方法。综上所述，目前没有发现有关基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器的公开报道。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提出了一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，通过对喷油器几何结构进行优化，实现对不同负荷下柴油机喷油器内涡线空化现象进行强化，有效提高喷油器燃油雾化质量。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，包括针阀、针阀体、喷孔和压力室；喷油器的针阀的轴线与针阀体的轴线重合，所述针阀体的头部均布有多个相同的渐缩圆锥形的喷孔，所有喷孔的出口端均与压力室连通；喷油器的压力室由等直径的半球和圆柱组成；压力室球半径为R，压力室高度为H，有0<R≤H；喷油器的压力室的压力室球半径R和压力室高度H受喷孔入口直径Din限制，需满足以下条件：
当l0≤l≤0时，压力室高度H>1.5Din，而压力室球半径R<1/2H；
当0<l≤l1时，压力室高度1.5Din<H<5Din，而压力室球半径R>3/5H；
喷油器的喷孔开孔高度h指喷孔入口截面圆心与压力室底平面间的距离，h<H且h需满足以下条件：
当l0≤l≤0时，喷孔开孔高度h>Din；
当0<l≤l1时，喷孔开孔高度1.2Din<h<3Din；
其中，l针阀底端面到喷孔轴线与针阀轴线交点的距离，l0为针阀底端面到喷孔轴线与针阀轴线交点的距离l取的最小值，l1为针阀1达到最大升程时l取的最大值。
进一步，针阀底端面到喷孔轴线与针阀轴线交点的距离l＝0表示喷孔轴线与针阀轴线的交点位于针阀底端面内，针阀在落座时，针阀底端面到喷孔轴线与针阀轴线交点的距离 l取最小值l0，且l0<0；随着燃油启喷，针阀开启，l逐渐增大，直至针阀达到最大升程时l 取最大值l1；在喷油结束阶段，l自l1逐渐减小至l0；
进一步，喷孔的倾斜角70°≤θ≤77.5°，喷孔的锥度系数1≤K≤3，锥度系数
Figure BDA0002711100700000031
其中，Din和Dout分别代表喷孔的入口和出口直径，L代表喷孔长度。
进一步，针阀头部为圆锥形，针阀头部的底端面为一个点，圆锥顶角即为针阀头部夹角θn，有60°≤θn≤90°；
进一步，针阀头部为圆台，其底端面为一个平面，利用圆台经过轴的截面的两条母线间的夹角表征针阀头部夹角，有θn≤60°。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，通过优化喷油器喷嘴几何参数实现强化和稳定柴油机喷油器内涡线空化现象，可以有效提高燃油喷雾雾化质量。
附图说明
图1为柴油机喷油器喷嘴结构示意图；
图2为柴油机喷油器喷嘴的喷孔结构局部放大图；
图3为本发明喷油器针阀头部形状示意图，3a为圆锥形针阀头部，3b为圆台形针阀头部；
图4为本发明喷油器喷嘴内两种典型的涡线空化流态示意图；
图5为本发明喷油器预实现的中空结构燃油喷雾效果示意图。
图中，1、针阀，2、针阀体，3、喷孔，4、压力室。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提出的一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，通过强化和控制柴油机喷油器喷嘴内部涡线空化现象，使燃油射流呈中空喷雾结构，从而优化燃油射流雾化质量。如图1所示的柴油机喷油器包括针阀1、针阀体2、喷孔3和压力室4；喷油器的针阀1的轴线与针阀体2的轴线重合；所述针阀体2的头部均布有3-8个相同的渐缩圆锥形的喷孔3，渐缩形的喷孔3能有效抑制几何诱导空化，同时强化涡线空化现象，图2给出了喷孔结构的局部放大图；通过对柴油机喷油器的结构参数进行优化设计，结构参数具体包括压力室球半径R、压力室高度H、喷孔锥度系数K、喷孔倾斜角θ、针阀底端面到喷孔轴线与针阀轴线交点的距离l和喷孔开孔高度h。
喷孔3的倾斜角70°≤θ≤77.5°，喷孔3的锥度系数1≤K≤3。喷孔3的锥度系数的定义为：
Figure BDA0002711100700000041
其中，Din和Dout分别代表喷孔的入口和出口直径，L代表喷孔长度。
针阀1头部为圆锥形或圆台形，如图3所示。当针阀1头部为圆锥形时，针阀1头部的底端面为一个点，圆锥顶角即为针阀1头部夹角θn，有60°≤θn≤90°；当针阀1头部为圆台时，其底端面为一个平面，利用圆台经过轴的截面的两条母线间的夹角表征针阀1头部夹角，有θn≤60°，且圆台高度在压力室结构允许范围内取值尽可能大。
针阀1在落座时，针阀1底端面到喷孔3轴线与针阀1轴线交点的距离l取最小值l0，且l0<0；随着燃油启喷，针阀1开启，l逐渐增大，直至针阀1达到最大升程时l取最大值 l1；在喷油结束阶段，l自l1逐渐减小至l0。
l值的“正”和“负”代表针阀1头部和喷孔3轴线与针阀1轴线交点间的相对位置：
l<0表示针阀1底端面较喷孔3轴线与针阀1轴线的交点更靠近压力室4的底部；
l>0表示喷孔3轴线与针阀1轴线的交点较针阀1底端面更靠近压力室4的底部；
l＝0表示喷孔3轴线与针阀1轴线的交点位于针阀1底端面内。
喷油器的压力室4由等直径的半球和圆柱组成；球半径为R，压力室高度为H，有0<R≤H。
喷油器的压力室4的结构参数R和H受喷孔3入口直径Din限制，需满足以下条件：
当l0≤l≤0时，压力室高度H>1.5Din，而压力室球半径R<1/2H；
当0<l≤l1时，压力室高度1.5Din<H<5Din，而压力室球半径R>3/5H。
喷油器的喷孔开孔高度h指喷孔入口截面圆心与压力室底平面间的距离，h<H且h需满足以下条件：
当l0≤l≤0时，喷孔开孔高度h>Din；
当0<l≤l1时，喷孔开孔高度1.2Din<h<3Din。
喷油器在燃油喷射过程中喷嘴内部持续出现强烈涡线空化，图4给出了喷嘴内两种典型的涡线空化流态示意图。
喷油器的燃油射流呈带旋流的中空喷雾结构，如图5所示。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，其特征在于，包括针阀(1)、针阀体(2)、喷孔(3)和压力室(4)；喷油器的针阀(1)的轴线与针阀体(2)的轴线重合，所述针阀体(2)的头部均布有多个相同的渐缩圆锥形的喷孔(3)，所有喷孔(3)的出口端均与压力室(4)连通；喷油器的压力室(4)由等直径的半球和圆柱组成；压力室球半径为R，压力室高度为H，有0<R≤H；喷油器的压力室(4)的压力室球半径R和压力室高度H受喷孔(3)入口直径Din限制，需满足以下条件：
当l0≤l≤0时，压力室高度H>1.5Din，而压力室球半径R<1/2H；
当0<l≤l1时，压力室高度1.5Din<H<5Din，而压力室球半径R>3/5H；
喷油器的喷孔开孔高度h指喷孔入口截面圆心与压力室底平面间的距离，h<H且h需满足以下条件：
当l0≤l≤0时，喷孔开孔高度h>Din；
当0<l≤l1时，喷孔开孔高度1.2Din<h<3Din；
其中，l针阀底端面到喷孔轴线与针阀轴线交点的距离，l0为针阀1底端面到喷孔(3)轴线与针阀(1)轴线交点的距离l取的最小值，l1为针阀(1)达到最大升程时l取的最大值；
针阀(1)头部为圆锥形，针阀(1)头部的底端面为一个点，圆锥顶角即为针阀(1)头部夹角θn，有60°≤θn≤90°；针阀(1)头部为圆台，其底端面为一个平面，利用圆台经过轴的截面的两条母线间的夹角表征针阀(1)头部夹角，有θn≤60°；
针阀(1)底端面到喷孔(3)轴线与针阀(1)轴线交点的距离l＝0表示喷孔(3)轴线与针阀(1)轴线的交点位于针阀1底端面内，针阀1在落座时，针阀1底端面到喷孔(3)轴线与针阀(1)轴线交点的距离l取最小值l0，且l0<0；随着燃油启喷，针阀(1)开启，l逐渐增大，直至针阀(1)达到最大升程时l取最大值l1；在喷油结束阶段，l自l1逐渐减小至l0。
2.根据权利要求1所述的一种基于喷嘴内涡线空化诱导中空喷雾结构的柴油机喷油器，其特征在于，喷孔(3)的倾斜角70°≤θ≤77.5°，喷孔(3)的锥度系数1≤K≤3，锥度系数其中，Din和Dout分别代表喷孔的入口和出口直径，L代表喷孔长度。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

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Inventor after: He Zhixia

Inventor after: Guan Wei

Inventor after: Wang Qian

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