CN115013197B - 一种一体式结构的射流混合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种一体式结构的射流混合器，包括混合体和固定脚，混合体与喷嘴中轴线共线，混合体上环形阵列设置2N个射流孔，射流孔两端孔口分别位于混合体内孔的孔壁上和外圆周面上，对称的射流孔之间具有射流夹角e，混合体上端面向上延伸形成2N个固定脚，固定脚上端面与气缸盖下端面焊接连接，混合体上端面和气缸盖下端面之间设汇气区，相邻固定脚之间设有连通汇气区的上导气通道，内孔竖直设置并贯穿混合体中部，内孔围成与射流孔连通的油气混合区，油气混合区位于喷嘴正下方并与汇气区连通；该射流混合器可对燃料空气预混合，通过上导气通道和内孔实现卷吸环境工质，并主动预混，预混效果更优良，空气燃料比更高，易于实现稀薄燃烧等优点。

Description

一种一体式结构的射流混合器

技术领域

本发明属于内燃机超薄燃烧技术领域，特别是指一种一体式结构的射流混合器。

背景技术

喷管技术打破了传统自由喷雾的被动混合方式，面向高粘度的柴油燃料，利用喷管独特的射流特性，高压喷射的液态燃油沿着喷管轴线进行二次雾化并与环境工质进行快速充分混合，属于主动式快速油气混合方式，因此喷管射流技术作为未来高效发动机预研技术之一，目前对喷管射流的研究还处于实验室开发研究阶段，而具有喷管结构的射流混合器的使用也仅限于实验室范围使用，目前实验室使用的射流混合器均通过在安装座上上装配喷管实现，喷油器喷出的油束在射流混合器内与空气发生混合后，经喷管结构射流至燃烧室内，而现有混合器的气体仅能从其下方流入混气区，因此，现有混合器还具有改进的空间，通过改善混合器以提高喷雾与空气混合均匀度，增加空气含量，可进一步改善缸内燃烧环境，提高燃烧效率；

此外，现有的安装座结构极为简单，而气缸内为高压高温状态，喷管固定不可靠不仅容易脱落，且会破坏气缸内壁和活塞上的燃烧室，导致较为严重的后果，且由于安装座安装在缸盖上，缸盖下端面一般经过热处理，具有较高的硬度，在进行发动机增设混合器改造过程中，打孔及攻丝设置螺纹孔的难度非常大，一般可行的连接方案为焊接连接，而安装座由于结构设计不合理，对其进行焊接操作的空间较小，且安装座整体结构较小，焊接长度不足，焊接操作可行性低。

发明内容

为解决以上现有技术的不足，本发明提供了一种一体式结构的射流混合器，促进燃油/空气混合过程，提升预混燃烧比例。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种一体式结构的射流混合器，包括混合体和固定脚，混合体设于喷嘴正下方，并与喷嘴中轴线共线，混合体上环形阵列设置2N个射流孔，射流孔两端孔口分别位于混合体内孔的孔壁上和外圆周面上，对称的射流孔之间具有射流夹角e，120°≤e≤150°，混合体上端面向上延伸形成2N个固定脚，固定脚上端面与气缸盖下端面焊接连接，混合体上端面和气缸盖下端面之间设有汇气区，相邻固定脚之间设有连通汇气区的上导气通道，内孔竖直设置并贯穿混合体中部，内孔围成与射流孔连通的油气混合区，油气混合区位于喷嘴正下方并与汇气区连通。

优选地两个相邻的固定脚的两相邻侧面、气缸盖下端面和混合体上端面之间围成上导气通道，两相邻侧面均为与混合体中轴线共面的竖向截面，其间具有导气夹角c，18°≤c≤20°。

更为优选地，2N个射流孔中轴线均坐于锥面状的轴线锥面上，混合体上端面外凸形成锥面状的导气上锥面，导气上锥面平行于轴线锥面。

进一步优选地，混合体下端面内凹形成锥面状的导气下锥面，导气下锥面平行于轴线锥面。

进一步优选地，混合体的内孔为上大下小的锥孔状，射流孔的中轴线垂直于内孔的孔壁。

进一步优选地，混合体的外圆周面为锥面状的圆锥外周面，射流孔的中轴线垂直于圆锥外周面。

进一步优选地，圆锥外周面上平行于轴线锥面开设2N个垂直于轴线锥面延伸的V形结构的下导气槽，下导气槽的两槽侧面具有45°夹角，2N个下导气槽沿混合体中轴线环形阵列分布，下导气槽位于两相邻射流孔正中间并与射流孔相间设置，下导气槽两端为开放式并分别与导气上锥面和导气下锥面连接。

进一步优选地，固定脚的下端外边线位于混合体边缘，2N个固定脚分别位于相应的射流孔正上方，通过两相交并对称于混合体中轴线的竖向斜平面对固定脚外侧面整体和混合体的圆锥外周面局部进行削切，形成固定脚的两斜侧竖平面，两斜侧竖平面与圆锥外周面相交且相交线位于射流孔孔口外。

进一步优选地，N＝4。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、混合器利用射流孔的“引射作用”将吸入的液态燃油沿着射流孔轴线进行二次雾化，并与卷吸的环境工质进行快速充分混合，因此，可进行主动式快速油气混合，提高预混燃烧比例和燃烧效率，延长燃烧室内火焰浮起长度和着火滞燃期，降低油耗和碳烟排放，提柴油机功率和动力性，此外，还可减少油束间干涉，提升雾化质量；

2、在混合器内部对喷出的液态燃油进行预混合，并通过上导气通道和内孔下方实现两侧同时进行工质卷吸，射流孔内可充分卷入环境工质，并在射流孔内进行充分主动混合，相比于现有技术的单侧卷吸结构，具有混合更充分，预混效果更优良，空气燃料比更高，易于实现稀薄燃烧等优点；

3、一体式结构的混合器易于安装和调试，且不需对传统发动机进行结构改动，发动机改良成本低。

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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的混合器在气缸内的装配示意图；

图2为混合器装配在气缸盖上的仰视图；

图3为混合器的立体图；

图4为混合器俯视图；

图5为混合器主视图；

图6为混合器仰视图

图7为图4中A-A截面剖视图；

图8为图4中B-B截面剖视图。

图中：1、活塞；2、气缸体；3、混合器；31、固定脚；31a、上导气通道；31b、下导气槽；311、斜侧竖平面；314、圆锥外周面；315、槽侧面；32、混合体；321、导气上锥面；32a、汇气区；33、射流孔；34、内孔；34a、油气混合区；35、导气下锥面；4、气门组件；41、进气气门孔；42、排放气门孔；5、喷嘴；6、气缸盖；a—气门对称分割线；c—导气夹角；e—射流夹角。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图3至8所示的本发明一体式结构的射流混合器3，该射流混合器3以具有双气门结构和“篷形”燃烧室的发动机作为实施对象，如图1和2所示的装配示意图，该射流混合器3安装在发动机气缸盖6正下方，并与喷油嘴同轴罩设在其上，为防止射流混合器3阻挡气门孔的气流，根据气缸上气门孔的分布结构可看出，射流混合器3只能位于气门孔围成的中部有效的较小区域，为了保证射流孔33具有足够的长度，射流混合器3的外形设计目标为在有限尺寸内具有足够大的油气混合效果，因此射流混合器3设计为一体式结构，即混合体32和2N个固定脚31为一体加工成型，不需进行组装，射流孔33的位置精度易于进行保证，混合体32设于喷嘴5正下方一定距离处，并与喷嘴5中轴线共线，双气门结构的气门孔包括气缸盖6上的2个进气孔和2个排气孔，进气孔和排气孔以气门对称分割线为对称中心，按照双气门组件4中排放气门孔42和进气气门孔41的分布结构，沿气门对称分割线a将气缸分为吸气区和排气区，混合器3对称于气门对称分割线a设置在气缸盖6下端面，如图2所示；

混合体32上环形阵列设置2N个射流孔33，与喷嘴5喷孔数量一致，优选八个喷孔喷嘴5，相应设置2N＝8个射流孔33，8个射流孔33对称于气门对称分割线a设置，即气门对称分割线a两侧的射流孔33数量位置分别相对应，每个射流孔33的中轴线与相应的喷孔中心位于同一纵平面上，且射流孔33两端孔口分别位于混合体32内孔34的孔壁上和外圆周面上，喷孔喷出的液态燃油在混合体32内部进行燃料/工质的混合后，由对应射流孔33引射至气缸内，为了适应喷嘴5的油束射角，对称的射流孔33之间具有射流夹角e，如图7所示，120°≤e≤150°，优选140°≤e≤150°，在该射流夹角e范围，混合气的燃烧效率最佳，混合体32上端面向上延伸形成2N个固定脚31，固定脚31上端面与气缸盖6下端面相接触后，旋转调整混合器3的位置后，点焊进行位置校准，确定位置后焊接进行固定；

由于混合体32设于喷嘴5正下方一定距离处，在喷孔出口和射流孔33入口之间具有混合空间，在混合体32上端面和气缸盖6下端面之间设有汇气区32a，相邻固定脚31之间设有连通汇气区32a的上导气通道31a，内孔34竖直设置并贯穿混合体32中部，内孔34围成与射流孔33连通的油气混合区34a，油气混合区34a位于喷嘴5正下方并与汇气区32a连通，且喷孔位于油气混合区34a内，因此，气缸内一部分空气通过上导气通道31a流入到汇气区32a，并从油气混合区34a上方向下与燃料进行预混合，同时从上方包裹油束并同时卷吸入射流孔33内，另一部分空气由内孔34下方进入油气混合区34a，由下方向上与燃料进行预混合，同时从下方包裹油束并同时卷吸入射流孔33内，射流孔33入口通过上下充分卷吸环境工质并在射流孔33内充分主动混合并射流，提高空气燃料比，提高预混燃烧并抑制碳烟生成。

作为进一步的技术方案，再次参照图4，两个相邻的固定脚31的两相邻侧面、气缸盖6下端面和混合体32上端面之间合围形成与气缸内部连通的上导气通道31a，两相邻侧面均为与混合体32中轴线共面的竖向截面，其间具有导气夹角c，18°≤c≤20°，将气流导向至混合体32中轴线区域，同时可在保证固定脚31的焊接连接长度同时，获得最大通道截面面积的上导气通道31a。

作为进一步的技术方案，再次参照图7和图8，2N个射流孔33中轴线均坐于锥面状的轴线锥面上，为了保证混合体32具有满足设计要求的壁厚，并具有足够大的汇气区32a，保证油气混合区34a上方的充气量，混合体32上端面外凸形成锥面状的导气上锥面321，导气上锥面321平行于轴线锥面，同样的，如图6和图8所示，混合体32下端面内凹形成锥面状的导气下锥面35，导气下锥面35平行于轴线锥面，不仅可缩短内孔34长度，导气下锥面35可导向气流，利于空气在油气混合区34a下方汇积，提高下部进气量。

作为进一步的技术方案，在保证射流孔33的设计长度目标同时，充分提高油气混合区34a或是内孔34体积，以提高油气混合空间，促进混合效果，混合体32的内孔34为上大下小的锥孔状，射流孔33的中轴线垂直于内孔34的孔壁，如图7所示。

作为进一步的技术方案，混合体32的外圆周面为与内孔34孔壁平行的锥面状的圆锥外周面314，射流孔33的中轴线垂直于圆锥外周面314，圆锥外周面314可导向气流在气缸内的分布，防止因混合器3的阻挡，在气缸缸内上端远离进气气门孔41的边角位置产生空气过稀区，再进一步地优化混合体32圆锥外周面314的导气结构，再次参照图3和图8，在圆锥外周面314上开设2N个V形结构的下导气槽31b，下导气槽31b的两槽侧面315具有45°夹角，其垂直于轴线锥面延伸，槽深方向平行于轴线锥面，且2N个下导气槽31b沿混合体32中轴线环形阵列分布，下导气槽31b位于上导气通道31a正上方，且具有同一对称平面，同样的，与射流孔33相间设置，且下导气槽31b位于两相邻射流孔33正中间，下导气槽31b两端为开放式，其两端分别贯穿导气上锥面321和导气下锥面35。

作为进一步的技术方案，如图3-6所示，固定脚31的下端外边线位于混合体32边缘，2N个固定脚31分别位于相应的射流孔33正上方，同时，下导气槽31b位于上导气通道31a正上方，且具有同一对称平面，提高混合器3整体加工性能，此外，固定脚31通过两相交并对称于混合体32中轴线的竖向斜平面对固定脚31外侧面整体和混合体32的圆锥外周面314局部进行削切，形成固定脚31的两斜侧竖平面311，两斜侧竖平面311与圆锥外周面314相交且相交线位于射流孔33孔口外，因此固定脚31的水平横截面呈五边形结构，当然固定脚31的内侧面也可为通过内圆铣形成的弧面结构，由两斜侧竖平面311组成固定脚31外侧面的结构一是可延长固定脚31上端线的焊接长度，二是斜侧竖平面311可与气门孔边缘相切设置或距一定垂直距离设置，充分利用气门孔中部的有效区域。

本发明的描述中，所涉及的术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“外”、“内”等所指示的方位或位置关系均为基于附图3中所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明，其不作为本发明保护内容的限制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种一体式结构的射流混合器，其特征在于：包括混合体和固定脚，所述混合体设于喷嘴正下方，并与所述喷嘴中轴线共线，所述混合体上环形阵列设置2N个射流孔，2N个所述射流孔中轴线均坐于锥面状的轴线锥面上，所述射流孔两端孔口分别位于所述混合体内孔的孔壁上和外圆周面上，对称的所述射流孔之间具有射流夹角e，120°≤e≤150°，所述混合体上端面向上延伸形成2N个固定脚，所述固定脚上端面与气缸盖下端面焊接连接，所述混合体上端面和所述气缸盖下端面之间设有汇气区，相邻所述固定脚之间设有连通所述汇气区的上导气通道，所述上导气通道由两个相邻的所述固定脚的两相邻侧面、所述气缸盖下端面和所述混合体上端面围成，所述固定脚的所述两相邻侧面均为与所述混合体中轴线共面的竖向截面，其间具有导气夹角c，18°≤c≤20°，所述内孔竖直设置并贯穿所述混合体中部，所述内孔围成与所述射流孔连通的油气混合区，所述油气混合区位于所述喷嘴正下方并与汇气区连通；

其中，所述混合体上端面外凸形成锥面状的导气上锥面，所述导气上锥面平行于所述轴线锥面；所述混合体下端面内凹形成锥面状的导气下锥面，所述导气下锥面平行于所述轴线锥面，所述混合体的外圆周面为锥面状的圆锥外周面，所述射流孔的中轴线垂直于所述圆锥外周面；

所述圆锥外周面上平行于所述轴线锥面开设2N个垂直于所述轴线锥面延伸的V形结构的下导气槽，所述下导气槽的两槽侧面具有45°夹角，2N个所述下导气槽沿所述混合体中轴线环形阵列分布，所述下导气槽位于两相邻所述射流孔正中间并与所述射流孔相间设置，所述下导气槽两端为开放式并分别与所述导气上锥面和所述导气下锥面连接。

2.根据权利要求1所述的一体式结构的射流混合器，其特征在于：所述混合体的所述内孔为上大下小的锥孔状，所述射流孔的中轴线垂直于所述内孔的孔壁。

3.根据权利要求2所述的一体式结构的射流混合器，其特征在于：所述固定脚的下端外边线位于所述混合体边缘，2N个所述固定脚分别位于相应的所述射流孔正上方，通过两相交并对称于所述混合体中轴线的竖向斜平面对所述固定脚外侧面整体和所述混合体的所述圆锥外周面局部进行削切，形成所述固定脚的两斜侧竖平面，两所述斜侧竖平面与所述圆锥外周面相交且相交线位于所述射流孔孔口外。

4.根据权利要求3所述的一体式结构的射流混合器，其特征在于：所述N=4。