CN85107669A - 超声喷射法和喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种超声喷嘴包括一个超声振动发生装置和连到所述振动发生装置的一个振动元件以便由此产生振动，所述振动元件的前端被加工成带有一个边缘部分，液态物质传到该边缘部分而被雾化。

Description

总的说来，本发明涉及雾化液态物质的超声喷射技术，特别涉及到一种超声喷射方法和适用于作为内燃机（诸如柴油机，汽油机和燃气轮机等）和外燃发动机（诸如锅炉，加热炉，加热设备等等的燃烧室）的燃料喷射阀上的喷嘴，而且还适用于为干燥和生产粉状药物时的喷头。虽然本发明可在如上所述的多个不同应用方面，为雾化和喷射液态物质而用作为喷嘴或喷射设备（“液态物质”这个词，不仅仅指例如液态燃料那样的某种液体，而且还指用于生产药品等的各种溶液或悬浮液以及在调湿或喷射设备方面所用的水或其他液体），但此后所描述的本发明将是关于专用于诸如柴油和汽油机的内燃机的喷油嘴。

迄今为止，为给（诸如柴油机或汽油机）的内燃机的燃烧室或予燃烧室提供雾状液态燃料，以减少烟灰和增强燃料的经济性，人们已作了各种赏试。一种最常见的方法是通过喷嘴的出口，在加压状态下去喷射液态燃料。在这种喷射法中，液态燃料的雾化是通过给予液态燃料以超声振动来引起的，这是已知的。

迄今，已研制出两种通过超声波使液体雾化的装置：（1）气蚀装置和（2）声波装置。气蚀装置不适合用在喷射阀上，因为难以控制其雾化程度。声波装置包括毛细管系统和液膜系统。在毛细管系统中，一个超声振动元件具有一形成通路的毛细孔。当超声振动元件受到振动时液体燃料被引导通过该毛细管的入口，从而，液体燃料被扩散通过毛细管孔的出口，以一种薄膜形式覆盖在振动元件的底面，继而以雾状喷射。在液膜系统中，超声振动元件之前端被加工成带有一个形似提升阀的扩口部分。液体燃料被送到且成薄膜状扩散在表面部分上，继而呈雾状喷射。

从上文可知，至今人们已考虑到这样一种装置，它借助一超声振动元件雾化液体是基于气蚀或在液体被转变成薄膜后所引起的波运动，而且特别考虑到：为实现大量液体的雾化，则主要的要求是油雾的波动。因此，如今人们已提出了如上所述的装置。

然而，实际上迄今为止为人们所推荐的喷嘴，其喷射容量如此之小，以致不适合用作（诸如柴油机或汽油机等）内燃机的喷油嘴，因这类发动机要求大量的雾化燃料。

在为实现大量液体燃料雾化的赏试中，本申请的发明家们在运用超声雾化的机理方面以及有关超声振动元件的构造方面已进行过多方探索和大量实验并已发现：借助一种与上述雾化机理截然不同的雾化机理去实现液体燃料的雾化是可能办到的。更具体地说，发明家们已经发现：在超声振动元件的一端加工成边缘部分，在将液体燃料传到和通过所述边缘部分期间，液体燃料可大量地雾化而呈油雾状。本发明就是在这样一个新发现的基础上产生的。

根据本发明所提供的超声喷油嘴包括一个超声振动发生器和一个振动元件，该元件连接到所述振动发生器而产生振动，所述振动元件其前端被加工成带有一个边缘部分，以使被传送到这里的液态物质沿此边缘部分雾化。

在本发明的最佳实施例中，超声振动发生器总是处于工作状态，因此虽液体物质间歇地被送到该振动元件，但振动元件却是连续不断地振动着，从而消除了传统的超声喷嘴所包含的振动起始时间滞后的缺点，在传统的超声喷嘴中，振动元件仅在喷射液态物质时才振动。

此外，在本发明的一个最佳实施例中，振动元件所具有的边缘部分是这样配置的;使其位于邻近喷嘴的出口，因而可提供非常小巧的超声喷嘴。

除了如上所述的间歇喷嘴外，本发明可适用于诸如高炉连续燃烧喷嘴，还可适用于利用喷雾干燥法以生产药粉的喷雾装置。

因此，本发明的一个首要目的是为提供一种超声喷射方法以及喷嘴，该喷嘴能间歇或连续地雾化一定量的某种液态物质。

本发明的另一目的是为提供一种超声喷射方法以及用在内燃机（诸如柴油机、汽油机、燃气轮机等）或外燃机（诸如锅炉、加热炉、加热设备等的燃烧室）上的喷油嘴-为用一种均匀的方式雾化大量的液体燃料，从而为在短时间内获得完全燃烧而避免了烟灰的排放并改善了燃料的经济性。

本发明的另一目的是为提供一种超声喷射方法及用在内燃机上的喷油嘴，该喷油嘴不仅能雾化大量液体，而且还能雾化处于小流量下的液体，而先有技术对小流量下的液体是不能实现雾化的，因而提高了燃料利用率。

本发明还有一个目的是为提供一种超声喷射方法及用在内燃机上的喷油嘴，该喷油嘴为减少烟尘和改善燃料的经济性提供了保证，而且该喷油嘴能连续工作，具有高度的实用性。

本发明还有一个目的是为提供一种超声喷射方法和喷嘴，该喷嘴能无时间滞后地喷射燃料。

本发明还有一个目的是为提供一种超声喷射法和喷嘴，该喷嘴不仅可用于药溶液或药的悬浮液的喷雾以便干燥包含在其内的物质而制成药粉，而且对房间或材料的调湿也是有用的。

本发明的另一个目的是为提供一种超声喷射方法和喷嘴，该方法能制出结构紧凑的小型喷嘴。

本发明的这些和其他目的及特征在以下结合附图的说明中，更加全面地作了揭示，就附图而言：

图1是根据本发明的超声喷嘴的部分横截面图;

图2和3是部分正视图，表明在振动元件的前端的边缘部分的改型;

图4是表明边缘部分作用的部分放大图;

图5是空心针形阀的正视图。

现参照附图详细说明根据本发明的超声喷嘴的最佳构成。

参照图1，根据本发明的超声喷嘴1包括一个一般的园筒形外壳4，该外壳具有一个中心孔2贯穿其中。一个振动元件支架8的较低安装部分;拧到外壳4的上部的外螺纹6上，振动元件支架8具有一个沿轴向贯穿其中的穿孔12，该孔沿轴向对准外壳4的中心孔。

振动元件即振子14安装在振子支架8的穿孔12和外壳4的中心孔2内。振动元件14包括一个上部本体16，一个细长的园柱形振子体18-其直径小于本体部分的直径，和一个连接本体部分16和柱体18的过渡部分20。本体部分16有一个围绕它的扩径凸缘22，该凸缘通过一挂耳24和一个夹到振子支架8的上部端面的环状振子夹持器30被紧固到振子支架8上，挂耳24是在振子支架8的内柱面上靠近其上端处加工而成。

振动元件14的柱体18向下或向外扩展超出外壳4。振动元件14的前端，也是柱体部分18的前端部被加工成带有一边缘部分32。（下面将详述这点）作为可滑动安装件的空心针形阀34被安装在振动元件14延伸至超出外壳4的那一部分内。

空心针形阀34呈普通园筒状，其包括一个靠近其上端的缩径上部36，一个中间大径部38，一个从大径部38开始倾斜的锥形部分40，一个连到锥形部分40的小径部分42和一个从小径部分42开始倾斜的前端锥形部44。前端锥形部44的末端被安排在邻近振动元件14的边缘部分32处。另一方面，空心针形阀34的上面缩径部分36向上延伸超过环状挂耳46，而挂耳46则是从外壳4的下端部沿径向向内延伸而成。

空心针形阀34安装在针形阀支架50内，针形阀支架50通过支架外壳52，可拆卸地固定在外壳4上，外壳52被固定在支架50的外面。针形阀支架50的内部结构包括一个大孔径部分54，空心针形阀34的中间大径部分38适于在该部分内滑动，一个与针形阀34的锥形部分40互补的倾斜部分56，一个小孔径部分58，和一个倾斜的前端部。一个小孔径58和倾斜的前端部60与小径部分42和空心针形阀34倾斜的前端部44相配合，确定了一个液体燃料供应通道62。

针形阀支架50的倾斜部分56的周围被加工成带有一个环状的燃料槽64，该燃料槽沿径向向内开口，该开口与通过针形阀支架50的壁延伸的燃料供应通道66相通。所述燃料供应通道66是与通过外壳4的壁延伸的燃料进口通道68相通，燃料进口通道68再与外壳4的燃料入口70相连。

针形阀支架50的大孔径部分54的上部周围被加工成具有一个环状回油槽72，该槽72沿径向向内开口，经由一个燃料返回通道74和一个分别通过针形阀支架50和外壳4的壁所构成的燃料输出通道76与燃料出口78相连。

压缩弹簧80被置于一个由外壳4的中心孔2的外壁和振子柱体18的柱面之间所限定的环形空间内。压缩弹簧80的下端借助于一个环状弹簧夹持器82支撑在空心针形阀34上面的缩径部分36的顶端面，而该弹簧的上端支撑一个喷射压力调节部件84的底表面，部件84是一园筒形部件位于外壳4的中心孔2的外壁和振子柱体18的柱面之间所确定的空间内并固定到外壳4的内壁。因此，针形阀34上的压力可通过改变喷射压力调节部件84相对于外壳4的位置10来调节。

下面说明超声喷嘴1的作用

在使用中，液体燃料通过燃料进口70引入并通过燃料输入通道68和燃料供应通道66被送入燃料槽64，由于弹簧80向下的弹力，使该燃料槽64通过空心针形阀34的锥形部分而被关闭。这样，当连续不断地向槽64供以燃料时，在该槽内必然产生压力。当槽64内的压力达到一定量级时，会引起空心针形阀34克服弹簧80的弹力而向上运动。

空心针形阀34的向上运动导致燃料槽64到燃料供应通道62的开口被打开，因此该通道62被供以液体燃料。来自燃料供应通道62的燃料被送到振动元件14前端上所制成的边缘部分32。

振动元件14的边缘部分32可呈某种阶梯形式：如图1所示的包括直径逐步减小的三个同心阶梯，或如图2和3中所示，可包括二个或五个阶梯。无论振动元件14属于那种结构，重要的是：要围绕其外缘制成一个或多个棱。尽管图1至3所示出的边缘部分32是一种具有直径逐渐减小的阶梯结构，但它也可以是一种具有直径逐渐增大或逐级减小而后又增大的结构。此外，如图4所示的几何尺寸为宽度（W）和高度（h）的阶梯可起到使液体燃料雾化和阻拦液体流动的作用。

根据本发明的发明人的多次探索和实验，已经找到了在雾化大量液体的情况下，该边缘部分台阶的高度（h）和宽度（W）必须保持在特定的范围内，即，必须遵照如下的条件：

0.2mm≦h≦λ/4    （1）

0.2mm≦W≦λ/4    （2）

式中λ为超声波的长度。

在本发明的最佳实施例中，每个阶梯的高度（h）和宽度（W）是：1≦h/W≦10。具体说来，对具有如图3所示结构的振动元件来说，高度（h）最好小于4mm。超声波的波长（λ）随用作振动元件的材料（诸如铬镍铁合金，钛等）不同而不同，通常在5到50Cm范围内。

此外，为使振动元件振动的超声振荡器的输出大致为10W，振动元件的（振动）幅度频率分别为30至70mm和20至50千赫。另外，振动元件的直径（D）最佳范围是λ/10到λ/4。当幅度和直径（D）较大时，待处理的液体流量可以增大。

振动元件14由于连接到本体部分16的超声振动发生装置100的作用，而连续不断地振动，以使液体燃料被传送到边缘部分32时，即被雾化和向外喷射。重要的是消除了不均匀的喷射，从而确保了喷射阀附近的均匀喷射。关于这一点，正如图5中所示，空心针形阀34的小直径部分42可以是多个，比如说，两个完全反向倾斜延伸的槽43。现已发现这样一种配置使燃料供应通道里产生涡流并使被喷射的燃料产生一种旋流，由此消除了不均匀喷射。此外，这种配置还可用来加速燃油雾离开边缘棱从而加强雾化。

至于根据如上所述的本发明的超声喷嘴，其各种参数和尺寸，举例如下：

超声振动发生装置的输出    ：10W

振动元件的振动幅度    ：34μm

振动元件的振动频率    ：38KHZ

振动元件的几何（参数）

边缘部分的宽度（W）    ：0.5mm

第一阶梯 ：7mm（直径D_o）

第二阶梯    ：6mm（直径）

第三阶梯    ：5mm（直径）

第四阶梯    ：4mm（直径）

第五阶梯    ：3mm直径（d）

每个阶梯的高度（h）    ：2mm

燃料种类    ：汽油

燃料流量 ：每次喷入～0.06cm³

燃料的喷射压力 ：1～70Kg/cm²

燃料温度    ：常温

用作振动元件的材料    ：钛（或铁）

注意：

（1）使振动元件的振幅尽可能大是有利的。

（2）振动元件应具有高于20KHZ的振动频率。

（3）应使燃料喷射压力接近发动机燃烧室里的压力。

流过空心针形阀34和针形阀支架50之间的微小空间（以μm级计）的送至燃料槽64的一部分（剩余）燃料，被收集进入回收燃料槽72，然后又通过燃料返回通道74和76回到燃料输出口78。该燃料输出口经过合适的管道（未示出），同燃油箱连接，因而使多余的燃料又回到油箱。

当燃料槽64中的压力下降，则空心针形阀在弹簧80的作用下移动而关闭燃料槽64，因而中断了向振动元件14的边缘部分32传送燃料的过程，喷嘴1就也不再喷射燃料。

根据本发明，由于不论燃料供应与否，振动元件14可保持在工作状态，因而避免了由于振动起始时的时间延迟所造成的不合时宜的燃料喷射。

正如上面已指出过，本发明的喷嘴能提供每次喷射达0.06cm³的大剂量喷射，这使其能实际应用于内燃机的喷油嘴。这比据说用先有技术的超声喷嘴可能达到的最大流量大了500到1000倍。再者，本发明还可用于流量以100升/小时计的某种连续燃烧的燃烧室里。本发明还可用于生产多种药粉的喷雾干燥装置中。

除了如上所述的本发明为雾化大剂量的液体提供保证之外，本发明的特征还在于：能提供均匀分布的雾化粒子，一般来说其平均粒子半径在10至30μm级。

正如从前面所述已经了解到的，本发明提供一种超声喷射方法和一种喷嘴，该喷嘴不但能以均匀方式雾化大量的液体物质，而且也能雾化处于低流量、以间歇或连续为基本条件的液体物质。

因此，根据本发明的超声喷射法和喷嘴，适用于内燃机-诸如柴油机，汽油机，燃气轮机等，适用于外燃机-诸如锅炉的燃烧室，加热炉，加热装置等，或用于喷雾或调湿装置。

Claims (15)

1、雾化液体物质的超声喷射方法，该方法借助于超声振动发生装置使一个振动元件振动，其特征在于：

在所述振动元件的前端，形成一个边缘部分；

将液体物质传送至所述边缘部分并使液体物质沿所述边缘部分雾化。

2、根据权利要求1的超声喷射法，其中所述振动元件是连续地振动着，而液体物质向振动元件的边缘部分的传送是间歇地或是连续地进行。

3、根据权利要求1的超声喷射法，其中所述液体物质是用于内燃机（诸如柴油机、汽油机等）或外燃机（诸如炉子等）的液体燃料。

4、根据权利要求1的超声喷射法，其中所述液体物质是用于生产药粉的悬浮液。

5、根据权利要求1的超声喷射法，其中所述的边缘部分是一种台阶结构。

6、根据权利要求5的超声喷射法，其中每个台阶的高度（h）和宽（W）的数值如下：

0.2mm≦h≦λ/4

0.2mm≦W≦λ/4

式中λ为超声波的波长。

7、根据权利要求6的超声喷射法，其中的高度（h）与宽度（W）之间的关系如下：

1≦h/W≦10

8、一种超声喷嘴包括一个超声振动发生装置，一个细长的振动元件-其一端连到所述超声振动发生装置，而其另一端具有某种边缘部分，一个空心针形阀可滑动地安装于所述振动元件具有所述边缘部分的另一端，一个针形阀支架-适于支撑所述空心针形阀以使其可滑动并与空心针形阀配合而在振动元件的边缘部分确定一个供应液体物质的通道，和弹簧装置-正常时，把空心针形阀推向所述支架，以关闭所述液体物质的供应通道。

9、根据权利要求8的超声喷嘴，其中所述边缘部分是阶梯式结构。

10、根据权利要求9的超声喷嘴，其中每个阶梯的高度（h）和宽度（W）为如下数值：

0.2mm≦h≦λ/4

0.2mm≦W≦λ/4

式中λ是超声波的波长。

11、根据权利要求10的超声喷嘴，其中高度（h）和宽度（W）之间的关系如下：

1≦h/W≦10

12、一种用在超声喷嘴上的振动元件，所述元件被加工成：多个阶梯环绕其外围，边缘部分至少有两个阶梯，所述边缘部分适用于供以某种液体。

13、根据权利要求12的振动元件，其中所述多阶梯的边缘部分具有逐渐增加的直径。

14、根据权利要求12或13的振动元件，其中每个阶梯的高度（h）和宽度（W）如下：

0.2mm≦h≦λ/4

0.2mm≦W≦λ/4

式中λ是超声波的波长。

15、根据权利要求14的振动元件，其中高度（h）与宽度（W）之间的关系如下式所示：

1≦h/W≦10

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