CN112412677B - 一种高强化柴油机卷流喷嘴 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强化柴油机卷流喷嘴，包括：针阀体、包裹在针阀体内的针阀以及设置在针阀体下端的喷孔；所述喷孔内壁面为螺旋曲面；在螺旋喷孔的作用下，高压油喷射出去的雾柱呈螺旋状，卷吸喷雾周边的空气。在一优选实施例中，喷孔为偶数个，两个相邻喷孔的螺旋曲线旋向相反。使用本发明能够在高环境密度条件下提高近场喷雾初次破碎质量，改善燃油喷雾二次雾化效果，加速燃油的蒸发混合过程，能够适配高强化发动机。而且相邻螺旋喷孔的螺旋线相反，使得喷雾的油束间由于旋流效应产生负压区，吸引周围的空气进入，形成相互宏观卷吸，从而加速燃油的蒸发混合过程，大幅提高柴油机的动力性、经济性和排放性能。

Description

一种高强化柴油机卷流喷嘴
技术领域
本发明涉及柴油机喷油器技术领域，具体涉及一种高强化柴油机卷流喷嘴。
背景技术
高强化发动机需要持续提高功率密度，通过增压的方式提高缸内压力，但是随着增压压力的提高，发动机爆压也随之提高，缸内的环境密度逐渐加强，传统油气室的匹配将失衡，从而导致燃烧恶化、热效率降低。针对这一问题，本申请人希望通过改变喷油器的喷嘴结构，使得燃油的破碎、油气混合过程发生变化，适应于高强化发动机的新型油气室匹配，达到新的平衡，实现高功率强化的目的。
喷嘴装置是柴油发动机的核心部件，是发动机燃烧系统的重要组件，其性能好坏直接关系发动机的工作效率和燃烧器的综合性能。喷油器的喷雾特性是影响柴油燃烧质量的重要因素，其喷射时的油束形状、雾化程度等性能指标对燃油的燃烧利用效率有关键影响。喷嘴作为喷油器中的关键部件，它的性能决定着燃油的雾化质量、进一步影响到其燃烧完全程度，采用合理的喷孔结构形成均匀的雾场分布将对污染物的抑制产生显著的效果。
目前广泛使用的柴油机喷油器的喷嘴主要是针对常温常压下的燃料喷入高温高压环境进行设计，按照使用场景对喷孔直径、喷孔长度、喷孔入口圆角半径、喷孔倾角以及喷孔数量和布置形式进行设计，已经无法满足高强化发动机的要求。如果直接使用，会使得燃料燃烧不完全，火焰被拉长，燃烧效率低，产生大量的未燃尽碳氢化合物，造成了严重污染问题。高强化发动机追求的是在尽量小的空间内实现功率密度最大化，这就需要燃油的充分雾化、快速蒸发，油气的混合速度加快，减少局部混合气过浓或过稀，从而达到超临界条件下的新油气室平衡。为此本发明主要针对高强化发动机的环境密度进行喷油器喷嘴的专用化设计，通过将喷嘴的喷孔螺旋化结构，类似DNA螺旋结构，使得初次喷雾的油束间形成相互宏观卷吸，从而加速燃油的蒸发混合过程，大幅提高柴油机的动力性、经济性和排放性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高强化柴油机卷流喷嘴，在高环境密度条件下提高近场喷雾初次破碎质量，改善燃油喷雾二次雾化效果，加速燃油的蒸发混合过程，能够适配高强化发动机。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。
一种高强化柴油机卷流喷嘴，包括：针阀体、包裹在针阀体内的针阀以及设置在针阀体下端的喷孔；所述喷孔内壁面为螺旋曲面；在螺旋喷孔的作用下，高压油喷射出去的雾柱呈螺旋状，卷吸喷雾周边的空气。
优选地，所述喷孔有2m个，m为大于或等于1的正整数；两个相邻喷孔的螺旋曲线旋向相反，分别为左旋和右旋。
优选地，m取值范围为[2,5]。
优选地，所有喷孔均匀分布在喷嘴周向。
优选地，当m＝2或3时，所述螺旋状喷孔的螺距为0.9mm～1.2mm，螺旋曲面深0.12mm～0.35mm，喷孔直径为0.12mm～0.15mm。
优选地，所述喷孔的入口和出口有圆角设计，且喷孔入口处的倒角大于喷口出口处。
优选地，所述喷嘴材料采用奥氏体钢或石墨钢。
优选地，所述喷孔的最大喷孔面积A、喷孔直径d满足如下公式：
Figure BDA0002802089190000031
Figure BDA0002802089190000032
其中，k为螺旋槽的体积分数，V为喷油器的喷油量，μ为喷油器的流量系数，
Figure BDA0002802089190000033
为喷油持续角，n为柴油机转速，W为喷孔处喷油平均流速，i为喷孔数；
基于上述公式，针对不同型号柴油机的燃烧室，计算出喷油量，然后利用上述公式设计调整喷孔和螺旋槽的参数。
优选地，所述针阀体内设有压力室，喷孔与所述压力室连通，压力室与喷孔连通处有圆角。
优选地，对于缸径150mm以下的柴油机，螺旋喷孔的螺旋数为1～2个。
有益效果：
高强化发动机追求的是在尽量小的空间内多喷油多进气，以实现功率密度最大化，这就需要燃油的充分雾化、快速蒸发，油气的混合速度加快，减少局部混合气过浓或过稀，从而达到超临界条件下的新油气室平衡。
本发明旨在适配高强化发动机，在高环境密度条件下提高近场喷雾初次破碎质量，增强喷雾边界的卷吸能力，改善燃油喷雾二次雾化效果，加速燃油的蒸发混合过程，实现高功率强化的目的。
首先，本发明将喷嘴喷孔设计为螺旋状结构，改变了喷孔内部流体的流动方向，使流体呈旋流流动，加强了其径向混合，增加了总体的湍流度，提高了传热能力。
其次，从喷孔喷出的喷雾呈螺旋状，喷雾自身在螺旋结构的引导下呈螺旋状，相对于普通圆柱形喷孔，增强了对于空气的卷吸能力，有利于解决高密度环境下的油和气被束缚在喷油嘴附近区域，导致燃烧持续期拉长的问题。
再次，相邻螺旋喷孔的螺旋线相反，使得喷雾的油束间由于旋流效应产生负压区，吸引周围的空气进入，形成相互宏观卷吸，从而加速燃油的蒸发混合过程，大幅提高柴油机的动力性、经济性和排放性能。
最后，对比使用横纹结构、螺旋结构和俩种不同结构尺寸的缩放结构，发现螺旋结构的流阻最小，可以最大化降低异形喷孔结构引起的流阻损失。
附图说明
图1为本发明的喷油器喷射系统结构示意图；
图2为喷嘴头部局部放大示意图；
图3为图2的A-A向剖面图；
图4为喷孔放大示意图；
图5为喷孔数为4,6,8,10的布置形势图；
图6分别为单孔和相邻孔的喷雾卷吸仿真效果图；
其中，1-针阀体，2-针阀，3-压力室，4-喷孔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
目前对于增加柴油机喷油器喷射燃油的空化强度和雾化质量的方法多种多样，技术成熟且实现量产，例如缩小喷嘴直径或通过电气系统控制喷油量、喷射压力和喷射时间的方法。但是上述常见的方法无法直接应用在高强化发动机中，因为高温高压环境阻碍了喷雾的进一步发展，使得初次近场喷雾坍缩。在此基础上，本发明未采用在针阀中增加挡板的方式提升燃油流动速度，而是通过改变传统的喷孔结构来加强射流的卷吸效果，具体来说是通过螺旋状结构强化喷油器喷雾自身的空气卷吸能力。进一步的，本发明还利用相邻喷孔间的反向螺旋结构形成油束间的相互宏观卷吸。对于缸径150mm以下的柴油机而言，螺旋喷孔的螺旋数一般为1～2个，根据柴油机的具体型号而定，主要以实际使用为准。通过螺旋喷孔的设计，可以在高环境密度条件下提高近场喷雾初次破碎质量，改善燃油喷雾二次雾化效果，加速燃油的蒸发混合过程，能够适配高强化发动机。
图1和图2为本发明柴油机卷流喷嘴的结构图，该喷嘴其包括针阀体1、针阀2。针阀2被包裹在针阀体1内部，针阀2与针阀体1是间隙配合。针阀体1内部位于阀针2的下端设有压力室3，该压力室3是由针阀体1和针阀2所包围成的半球形空间，位于针阀2的下端。针阀体1的下端设有喷孔，压力室3作为喷油器的油液腔与喷孔4连通，压力室与喷孔连通处有圆角。如图2所示，喷孔4的入口端与压力室3相连，其出口端与燃烧室相连。优选地，喷孔的入口和出口有圆角设计，且喷孔入口处的倒角大于喷口出口处。
如图3和图4所示，本发明最大特点在于，喷孔内壁面呈螺旋状；在螺旋状喷孔的作用下，高压油喷射出去的雾柱呈螺旋状，以最大程度的卷吸喷雾周边的空气。
一般来说喷嘴会具有至少2个喷孔。优选地，本发明设计为偶数个喷孔，可以均匀分布在喷嘴周向。如图5所示，一个喷嘴可以有4、6、8、10个喷孔，对应喷孔间的夹角为36°～90°。在这种情况下，本发明进一步设计相邻螺旋喷孔之间的旋向相反，形成油束间的相互宏观卷吸，这样两束雾柱之间形成负压，将更远的空气引导到雾柱附近，从而进一步提升喷雾卷吸周边空气的能力。单个喷嘴和成对喷嘴的卷吸效果如图6所示。
喷孔内表面为螺旋曲面，孔数为4～6孔时，螺旋孔最优参数范围：螺距为0.9mm～1.2mm，螺旋曲面槽深为0.12mm～0.35mm，喷孔直径为0.12mm～0.15mm，喷嘴材料采用耐磨耐热高压钢材，例如奥氏体钢、石墨钢，能够有效提高产品的耐蚀性及耐磨性。
根据螺旋结构计算公式、圆柱喷孔结构公式、喷孔面积与喷油流速的关系公式，螺旋喷孔的最大喷孔面积A、喷孔直径d满足下列公式；
Figure BDA0002802089190000061
Figure BDA0002802089190000062
其中，k为螺旋槽的体积分数，圆柱孔时取6，V为喷油器的喷油量，μ为喷油器的流量系数，
Figure BDA0002802089190000063
为喷油持续角，n为柴油机转速，W为喷孔处喷油平均流速，i为喷孔数。
基于上述公式，针对不同型号柴油机的燃烧室，可以通过空燃比计算所需的喷油量，然后利用上述公式得出喷孔直径、喷孔面积等参数，设计调整喷孔和螺旋槽的尺寸，并通过调整电控单元调整喷油器的喷油量、喷油速率等参数来适配高强化发动机。
本发明的具体工作过程如下：
高强化柴油机卷流喷嘴工作时，喷油泵输出的高压油从图1中针阀体1上端左侧的进油口进入，流经针阀体1和针阀2之间的缝隙，进入喷油嘴内的压力室3，产生推力从而克服弹簧预紧力及针阀偶件间的摩擦力，使针阀2上升，高压油从螺旋状喷孔4喷射出去，由于螺旋喷孔4的作用，使得喷射出去的雾柱成螺旋状。当油泵停止供油时，针阀2在调压弹簧作用下将喷孔4关闭，停止喷油。喷油器喷油时，喷孔内高压油由于螺旋结构改变了流体的流动方向，高压油呈旋流流动。高压油喷出后不仅自身发生旋流卷吸，而且相邻喷孔喷出的高压油由于旋流效应产生负压区，吸引周围的空气进入，从而发生相互的宏观卷吸。
通过converge仿真软件对上述结构的螺旋形喷油器在真实环境下的卷吸性能进行仿真实验，性能分别用单孔喷油器的螺旋卷吸流场和相邻喷孔间的螺旋卷吸流场表征，如图6所示。
以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高强化柴油机卷流喷嘴，其特征在于，包括：针阀体、包裹在针阀体内的针阀以及设置在针阀体下端的喷孔；所述喷孔内壁面为螺旋曲面；在螺旋喷孔的作用下，高压油喷射出去的雾柱呈螺旋状，卷吸喷雾周边的空气；
所述喷孔有2m个，m为大于或等于1的正整数；两个相邻喷孔的螺旋曲线旋向相反，分别为左旋和右旋；
所述喷孔的最大喷孔面积A、喷孔直径d满足如下公式：
Figure FDA0003316920260000011
Figure FDA0003316920260000012
其中，k为螺旋槽的体积分数，V为喷油器的喷油量，μ为喷油器的流量系数，
Figure FDA0003316920260000013
为喷油持续角，n为柴油机转速，W为喷孔处喷油平均流速，i为喷孔数；
基于上述公式，针对不同型号柴油机的燃烧室，计算出喷油量，然后利用上述公式设计调整喷孔和螺旋槽的参数。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，m取值范围为[2,5]。
3.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所有喷孔均匀分布在喷嘴周向。
4.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，当m＝2或3时，所述螺旋喷孔的螺距为0.9mm～1.2mm，螺旋曲面深0.12mm～0.35mm，喷孔直径为0.12mm～0.15mm。
5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷孔的入口和出口有圆角设计，且喷孔入口处的倒角大于喷口出口处。
6.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴材料采用奥氏体钢或石墨钢。
7.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述针阀体内设有压力室，喷孔与所述压力室连通，压力室与喷孔连通处有圆角。
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