CN114992003A - 喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种喷射装置，包括：针阀、阀套以及气束喷射导向装置，所述针阀和阀套之间具有供气体燃料通过的流道，通过所述针阀的往复运动实现对所述流道的开闭控制，所述针阀包括上部结构和与之相连的下部结构，所述针阀的下部结构的底面至少包括底部球面；所述气束喷射导向装置装配在所述阀套上，其用于改变气体燃料喷出后的形态结构，所述气束喷射导向装置的底部内壁面包括内壁球面。本发明通过对针阀的下部结构的底面和气束喷射导向装置的底部内壁面采用球面设计，可以避免内部涡流的产生，从而提高喷射装置的气体喷射稳定性和准确性。

Description

喷射装置

技术领域

本发明涉及汽车发动机技术领域，特别涉及一种喷射装置。

背景技术

为应对全球环境和气候变化，汽车发动机的节能减排是必然的趋势，而气体燃料是实现这一目标的有效方法之一，如天然气、氢气等燃料。为实现气体燃料的喷射，气体喷嘴是必不可少的重要零件之一，能够精确供给发动机各类工况条件下所需的燃料，并与缸内的空气形成良好的可燃混合气，其工作性能对发动机的动力性能和排放等有着至关重要的影响。

气体喷嘴由多个部件组成，由于气体燃料密度相比液体燃料要低很多，故气体喷嘴喷射发动机燃烧所需的燃料时，其喷射流道面积也要显著大于液体燃料喷嘴的流道面积。而燃料喷嘴在发动机缸盖安装时对其外形尺寸有严格的要求，故为在有限尺寸下实现气体燃料的喷嘴，满足气体喷射的要求，气体喷嘴(即喷射装置)通常采用外开式设计，其喷射端口结构示意如图1所示。气体喷嘴通过针阀01的往复运动对针阀01和阀套02之间的的流道03进行开闭。喷嘴关闭时，针阀01向上运动，其密封区域011与阀套02的密封区域021相互接触，流道03关闭；喷嘴开启时，针阀01向下(向外)运动，气体燃料通过管路流入气体喷嘴，然后经由针阀01和阀套02间的流道03向外部喷射。

由于外开式喷嘴的特性，气体燃料沿流道03喷出喷嘴后，其形成的气束04呈沿喷嘴中心轴中心对称的伞状结构，其与喷嘴中心轴的夹角由密封面011和021与喷嘴中心轴的夹角α决定。由于气体呈环状经喷嘴喷出，其质量较为分散，故其贯穿环境气体的能力较弱，喷射距离较短，不利于气体燃料在发动机内与空气进行良好的混合。此外，由于密封的特性要求，夹角α的变动范围较小，气体喷嘴喷射形成的气束形状结构单一，很难匹配不同的发动机结构。尤其是侧置安装的喷嘴，其要求气束相对喷嘴中心轴线的一侧喷射，而外开式喷嘴无法实现这一要求。此外，通过对气体喷射的研究发现，喷射气体在经过外开式的针阀体时，喷射气体很容易脱离针阀体的壁面，并在针阀体的外侧形成涡流，而该涡流结构并不稳定，且会相互干扰，而这会导致喷嘴腔体内喷射气体流动稳定性差。因此需要在外开式喷嘴的针阀外侧设计气束喷射导向装置。

专利申请CN107849960A中公开了一种气束喷射导向装置，该喷射阀的喷射介质主要为液体，故其导向结构相对简单，其主要发明点为喷孔板上的特殊喷孔(喷孔板边缘位置的喷孔)和中间位置的喷孔设计，通过特殊的喷孔方向设计，使其喷射出的液体与中间位置的喷孔喷射的液体在喷射阀中心轴处碰撞，进而促进喷射液体的雾化和蒸发，使喷射的液体与内燃机废气形成良好的混合，进而提高废气中有害物质NOx的处理效率。但是该专利申请的针阀与喷孔间的腔体结构设计较为简单，没有针对气体流动进行优化，所以气体在流过针阀后易产生涡流，使得气体的喷射稳定性较差。

专利申请US2001/0025892A1中公开了一种气束喷射导向装置，该喷嘴主要用于气体燃料喷射，其主要发明点为阀体上的喷孔的特殊结构设计，通过喷孔的收缩再放大的结构设计，实现气体燃料的超音速喷射。但是该专利申请也没有针对气体流动进行优化，所以气体在流过针阀后易产生涡流，使得气体的喷射稳定性较差。

由于目前并没有针对气体流动进行优化，使气体在流过针阀后不易产生涡流，进而提高气体的喷射稳定性的装置。因此，有必要在针阀外侧设计气体气束喷射导向装置，并设计良好的内腔结构，使得气体经针阀以及喷孔喷射后具有良好的喷射稳定性，为发动机提供稳定且精准的气体燃料喷射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种喷射装置，以提高气体燃料的喷射稳定性。

为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种喷射装置，包括：针阀、阀套以及气束喷射导向装置，

所述针阀和阀套之间具有供气体燃料通过的流道，通过所述针阀的往复运动实现对所述流道的开闭控制，所述针阀包括上部结构和与之相连的下部结构，所述针阀的下部结构的底面至少包括底部球面；

所述气束喷射导向装置装配在所述阀套上，其用于改变气体燃料喷出后的形态结构，所述气束喷射导向装置的底部内壁面至少包括内壁球面，且所述气束喷射导向装置的内径大于所述针阀的下部结构的外径。

可选的，在所述的喷射装置中，所述针阀的下部结构包括所述底面、与所述底面连接的针阀侧壁以及与所述针阀侧壁连接的密封曲面，所述阀套的下端面至少包括密封锥面，通过所述针阀向上运动，以使所述针阀的密封曲面与所述阀套的密封锥面相接触来关闭所述流道；通过所述针阀向下运动，以使所述针阀的密封曲面离开所述阀套的密封锥面来开启所述流道。

可选的，在所述的喷射装置中，所述针阀的下部结构的底面包括与所述针阀侧壁圆弧倒角连接的底部锥形面和与所述底部锥形面相切连接的底部球面。

可选的，在所述的喷射装置中，所述底部锥形面的夹角≤90°。

可选的，在所述的喷射装置中，所述针阀的下部结构的底面包括与所述针阀侧壁相切连接的底部球面。

可选的，在所述的喷射装置中，所述气束喷射导向装置的底部内壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧内壁圆弧倒角连接的内壁球面，且所述内壁球面与所述底部球面的方向相同。

可选的，在所述的喷射装置中，所述气束喷射导向装置的底部内壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧内壁圆弧倒角连接的特殊内曲面和与所述特殊内曲面相切连接的内壁球面，所述特殊内曲面包括锥形面或者抛物面。

可选的，在所述的喷射装置中，所述气束喷射导向装置上设置有喷孔，且所述喷孔与所述喷射装置中轴线的夹角为β，且0°≤β≤45°

可选的，在所述的喷射装置中，所述气束喷射导向装置的底部外壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧外壁圆弧倒角连接的外壁球面，所述喷孔设置在所述外壁球面上。

可选的，在所述的喷射装置中，所述气束喷射导向装置的底部外壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧外壁倒角连接的环形平台面、与所述环形平台面圆弧倒角连接的特殊外曲面和与所述特殊外曲面相切连接的外壁球面，所述喷孔设置在所述特殊外曲面上，所述特殊外曲面包括锥形面或者抛物面。

可选的，在所述的喷射装置中，所述气体燃料由所述流道流动到所述针阀、阀套和气束喷射导向装置之间的腔体，然后通过所述喷孔喷射至外部，所述腔体在气体燃料流动方向上任意位置的横截面积大于所述流道在气体燃料流动方向上的最小横截面积。

可选的，在所述的喷射装置中，所述气束喷射导向装置装配在所述阀套上的方法包括：焊接或者过盈配合。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明通过对针阀的下部结构的底面和气束喷射导向装置的底部内壁面采用球面设计，可以优化其内腔的气体流动，避免内部涡流的产生，从而提高喷嘴的气体喷射稳定性和准确性，提升喷嘴的流量和气束形态稳定性。

此外，本发明的气束喷射导向装置设置喷孔，且所述气束喷射导向装置底部外壁面采用球面设计，可使原本分散的环形气束经喷孔结构进行集中喷射，其喷射距离相比环形气束可以显著增大，且喷射方向可根据发动机需求进行灵活设计，进而可在发动机内与空气进行良好的混合，形成高质量的可燃混合气。

附图说明

图1是一种喷射装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例的喷射装置的结构示意图；

图3是本发明一实施例的针阀的下部结构的底面采用球面设计结构的结构示意图；

图4是本发明一实施例的气束喷射导向装置的底部外壁面采用锥形面和球面设计的结构示意图；

图5是本发明一实施例的气束喷射导向装置的底部外壁面采用环形平台面、锥形面和球面设计的结构示意图；

图6是本发明一实施例的气束喷射导向装置的底部外壁面采用环形平台面和球面设计的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的喷射装置作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参阅图2，本发明提供了一种喷射装置，包括：针阀10、阀套20以及气束喷射导向装置50，

所述针阀10和阀套20之间具有供气体燃料通过的流道30，通过所述针阀10的往复运动实现对所述流道30的开闭控制，所述针阀10的下部结构的底面至少包括底部球面105；

所述气束喷射导向装置50装配在所述阀套20上，其用于改变气体燃料喷出后的形态结构，所述气束喷射导向装置50的底部内壁面包括内壁球面505。

继续参阅图2，所述针阀10和阀套20之间具有供气体燃料通过的流道30。所述喷射装置关闭时，所述针阀10向上运动，以与所述阀套20相抵接来关闭所述流道30，具体为：所述针阀10向上运动，其密封曲面101与所述阀套20的密封锥面201接触，关闭所述针阀10和阀套20间的流道30。所述喷射装置开启时，所述针阀10向下运动，以离开所述阀套20来开启所述流道30，具体为：所述针阀10向下运动，其密封曲面101与所述阀套20的密封锥面201分开，开启所述针阀10和阀套20间的流道30。

所述针阀10可以为一体结构，所述针阀10的上部结构优选为一筒体结构，其下部结构为曲面结构，且所述针阀10的下部结构的最大宽度大于所述筒体结构的宽度。所述下部结构包括密封曲面101、针阀侧壁102以及底面。且所述筒体结构与所述密封曲面101连接，所述密封曲面101与所述针阀侧壁102连接，而所述针阀侧壁102与所述底面连接。为避免气体在经流道30流出后在腔体501内形成涡流，针阀10的下部结构的底面可以采用球面设计，也可以采用锥形面加球面的设计，即所述针阀10的下部结构的底面至少包括底部球面105。具体的，所述针阀10的下部结构的的底面仅包括底部球面105，或者包括底部球面105与底部锥形面104。例如，图2中所述针阀10的下部结构的底面包括与所述针阀侧壁102圆弧倒角连接的底部锥形面104和与所述底部锥形面104相切连接的底部球面105，所述底部锥形面的夹角γ优选≤90°。所述底部球面105可以根据发动机需求可设计不同半径尺寸。所述底部锥形面104与所述针阀的侧壁102采用圆弧倒角相连，所述针阀10的底部球面105与底部锥形面104相切连接，可以形成圆滑过渡面，避免尖锐边引起气体燃料脱离壁面而形成涡流。而所述针阀10的底部锥形面104的夹角γ采用小于或等于90°的设计，可以使气体燃料流经所述底部锥形面104和底部球面105时能依附在壁面上，避免气体燃料脱离壁面而形成涡流。再例如，图3中，所述针阀10的下部结构的底面包括与所述针阀侧壁102相切连接的底部球面105。

所述阀套20的下端面优选为倾斜的端面，且所述倾斜的端面即为密封锥面201，通过所述针阀10的上下往复运动，可以实现所述阀套20的密封锥面201与所述针阀10的密封曲面101的接触和分离。

本发明是在不影响喷射装置功能的前提下，设计了一个气束喷射导向装置50，以改变气体燃料喷出后的形态结构。所述气束喷射导向装置50装配在所述阀套20上的方法包括：焊接或者过盈配合，但不限于此。例如，图2中所述气束喷射导向装置50通过焊接方式装配在阀套20上，所述焊接的方法可以是：将所述阀套20的下端形成一缺口，所述气束喷射导向装置50的上端嵌入所述缺口。所述焊缝可以位于所述气束喷射导向装置50的上端顶部，例如焊缝202；也可以位于所述气束喷射导向装置50的上端侧壁。除此之外，所述焊接的方法也可以采用端面对配的方法进行焊接。即所述阀套20的下端没有形成缺口，且所述阀套20的下端面包括倾斜的端面(即密封锥面201)和与所述倾斜的端面连接的水平端面，所述气束喷射导向装置50的上端面直接与所述阀套20的水平端面焊接在一起。

所述气束喷射导向装置50的内径大于所述针阀10的下部结构的外径，所述气束喷射导向装置50的底部内壁面优选采用球面设计，即所述气束喷射导向装置50的底部内壁面包括与所述喷射导向装置50的上侧内壁(上端侧壁的内表面)圆弧倒角连接的内壁球面505。所述内壁球面505的设计能够更好的引导气体燃料的流动，且其方向与所述针阀10的底部锥形面104和底部球面105同向，能够更好的引导气体燃料在流动时附着在腔体501的壁面上，提高气体燃料在喷射装置内部的流动稳定性，进而提高气体喷射装置喷射气束的稳定性和质量的准确性。此外，为避免腔体501对喷射装置流量的影响，针阀完全开启时，腔体501在气体燃料流动方向上任意位置的横截面积需大于针阀20与阀套30间的流道30在气体燃料流动方向上的最小横截面积。

在其他实施例中，所述气束喷射导向装置50的底部内壁面可以包括与所述气束喷射导向装置50的上侧内壁圆弧倒角连接的特殊内曲面和与所述特殊内曲面相切连接的内壁球面，所述特殊内曲面包括锥形面或者抛物面。

所述气束喷射导向装置50的底部根据发动机需求可设计不同尺寸和数量的喷孔503。为方便所述喷孔503的结构和喷射方向的灵活设计，保证所述喷孔503与中心轴线夹角β有充足的设计范围和一定的喷孔长度，足够长的喷孔长度能够更好的对气体的喷射方向进行引导。所述气束喷射导向装置50的外侧底面504采用球面结构设计，从而实现β角0°～45°的设计范围，满足发动机内各样气束喷射的需求。

所述喷孔503可以设计为圆形孔、椭圆孔或狭缝等结构。所述喷孔503的孔数可以根据需求自由设计，所述喷孔503的喷射方向亦可根据气束设计需求进行灵活设计。所述气束喷射导向装置50可使原本分散的环形气束经1个或多个喷孔结构进行集中喷射，其喷射距离相比环形气束可以显著增大，且喷射方向可根据发动机需求进行灵活设计，进而可在发动机内与空气进行良好的混合，形成高质量的可燃混合气。

所述气束喷射导向装50的底部外壁面至少包括外壁球面504。例如，参阅图2，所述气束喷射导向装置50的底部外壁面可以包括与所述喷射导向装置50的上侧外壁圆弧倒角连接的外壁球面504，所述喷孔503设置在所述外壁球面504上。

再例如，参阅图4，所述气束喷射导向装50的底部外壁面可以包括与所述喷射导向装置50的上侧外壁圆弧倒角连接的特殊外曲面506和与所述特殊外曲面506相切连接的外壁球面504，所述喷孔503设置在所述特殊外曲面506上，所述特殊外曲面506包括锥形面或者抛物面，但不限于此。

再例如，参阅图5，所述气束喷射导向装置50的底部外壁面可以包括与所述喷射导向装置50的上侧外壁倒角连接的环形平台面507、与所述环形平台面507倒角连接的特殊外曲面506和与所述特殊外曲面506相切连接的外壁球面504，所述喷孔503设置在所述特殊外曲面506上。所述特殊外曲面506包括锥形面或者抛物面，但不限于此。即所述气束喷射导向装置50的底部外壁面采用中心凸起的结构设计(例如球面、锥面)，边缘设计为环形的平面台阶，即环形平台面507。所述环形平台面507可以作为装配/定位准，也可以在上面做定向标记和打二维码等标记。

再例如，参阅图6，所述气束喷射导向装置50的底部外壁面可以包括与所述喷射导向装置50的上侧外壁倒角连接的环形平台面507和与所述环形平台面507倒角连接的外壁球面504，所述喷孔503设置在所述外壁球面504。即所述气束喷射导向装置50的底部外壁面采用中心凸起的结构设计(例如球面)，边缘设计为环形的平面台阶，即环形平台面507。

此外，在气束喷射导向装置的侧面设计一个定位孔502，用于气束喷射导向装置的方向定位，以便于设计或确定各喷孔的气束40喷射方向。所述定位孔502可以设置在所述气束喷射导向装置50的上侧壁上，也可以设置在所述环形平台面507上。

在本实施例中，所述喷射装置开启时，所述针阀10向下运动，所述针阀10和阀套20间的流道30开启，气体燃料由流道30流动到所述针阀10、阀套20和气束喷射导向装置50间的腔体501，然后通过气束喷射导向装置50底面的喷孔503喷射至喷射装置外部。

综上可见，本发明通过对针阀的下部结构的底面和气束喷射导向装置的底部内壁面采用球面设计，可以优化其内腔的气体流动，避免内部涡流的产生，从而提高喷嘴的气体喷射稳定性和准确性，提升喷嘴的流量和气束形态稳定性。而且气束喷射导向装置设置喷孔，且所述气束喷射导向装置底部外壁面采用球面设计，可使原本分散的环形气束经喷孔结构进行集中喷射，其喷射距离相比环形气束可以显著增大，且喷射方向可根据发动机需求进行灵活设计，进而可在发动机内与空气进行良好的混合，形成高质量的可燃混合气。

此外，可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”引述意味着对一个或多个步骤的引述，并且可能包括次级步骤。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。

Claims (12)

1.一种喷射装置，其特征在于，包括：针阀、阀套以及气束喷射导向装置，

所述针阀和阀套之间具有供气体燃料通过的流道，通过所述针阀的往复运动实现对所述流道的开闭控制，所述针阀包括上部结构和与之相连的下部结构，所述针阀的下部结构的底面至少包括底部球面；

所述气束喷射导向装置装配在所述阀套上，其用于改变气体燃料喷出后的形态结构，所述气束喷射导向装置的底部内壁面至少包括内壁球面，且所述气束喷射导向装置的内径大于所述针阀的下部结构的外径。

2.如权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，所述针阀的下部结构包括所述底面、与所述底面连接的针阀侧壁以及与所述针阀侧壁连接的密封曲面，所述阀套的下端面至少包括密封锥面，通过所述针阀向上运动，以使所述针阀的密封曲面与所述阀套的密封锥面相接触来关闭所述流道；通过所述针阀向下运动，以使所述针阀的密封曲面离开所述阀套的密封锥面来开启所述流道。

3.如权利要求2所述的喷射装置，其特征在于，所述针阀的下部结构的底面包括与所述针阀侧壁圆弧倒角连接的底部锥形面和与所述底部锥形面相切连接的底部球面。

4.如权利要求3所述的喷射装置，其特征在于，所述底部锥形面的夹角≤90°。

5.如权利要求2所述的喷射装置，其特征在于，所述针阀的下部结构的的底面包括与所述针阀侧壁相切连接的底部球面。

6.如权利要求3～5中任一项所述的喷射装置，其特征在于，所述气束喷射导向装置的底部内壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧内壁圆弧倒角连接的内壁球面，且所述内壁球面与所述底部球面的方向相同。

7.如权利要求3～5中任一项所述的喷射装置，其特征在于，所述气束喷射导向装置的底部内壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧内壁圆弧倒角连接的特殊内曲面和与所述特殊内曲面相切连接的内壁球面，所述特殊内曲面包括锥形面或者抛物面。

8.如权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，所述气束喷射导向装置上设置有喷孔，且所述喷孔与所述喷射装置中轴线的夹角为β，且0°≤β≤45°。

9.如权利要求8所述的喷射装置，其特征在于，所述气束喷射导向装置的底部外壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧外壁圆弧倒角连接的外壁球面，所述喷孔设置在所述外壁球面上。

10.如权利要求8所述的喷射装置，其特征在于，所述气束喷射导向装置的底部外壁面包括与所述气束喷射导向装置的上侧外壁倒角连接的环形平台面、与所述环形平台面圆弧倒角连接的特殊外曲面和与所述特殊外曲面相切连接的外壁球面，所述喷孔设置在所述特殊外曲面上，所述特殊外曲面包括锥形面或者抛物面。

11.如权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，所述气体燃料由所述流道流动到所述针阀、阀套和气束喷射导向装置之间的腔体，然后通过所述喷孔喷射至外部，所述腔体在气体燃料流动方向上任意位置的横截面积大于所述流道在气体燃料流动方向上的最小横截面积。

12.如权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，所述气束喷射导向装置装配在所述阀套上的方法包括：焊接或者过盈配合。

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