WO2015024139A1

WO2015024139A1 - 离心式伞喷喷油嘴

Info

Publication number: WO2015024139A1
Application number: PCT/CN2013/000964
Authority: WO
Inventors: 王抗美
Original assignee: Wang Kangmei
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-26
Also published as: US10006427B2; US20160177905A1

Abstract

公开了一种离心式伞喷雾化装置，针阀体（1）内的针阀（5）头部有节流导向锥体（13），针阀（5）的座面（16）与旋流室（10）的座面（17）配合从而脉动式直接开闭喷孔（11），压力室（8）与旋流室（10）之间有一组切向孔（9），带有切向力的燃油经过旋流室（10）切向旋转后，从喷口（12）喷出，在燃烧室内形成一个无密实油束核心、具有可控的贯穿距且高速旋转的中空的伞状油膜。上述离心式伞喷雾化装置的燃料流量可调范围大，能自动开闭喷孔，不易形成积碳和堵塞喷孔。

Description

离心式伞喷喷油嘴

本发明涉及往复式内燃发动机及涡轮和涡轮轴发动机一种新的燃油雾化方法和喷射自动开闭控制结构，是一种离心式伞喷喷油嘴。

喷油嘴是内燃机组织和控制燃烧过程的关键部件。目前公知的柴油机喷油嘴分为轴针式、孔式两种。轴针式喷油嘴用于非直喷式燃烧室，能保证喷孔畅通，但喷射的油线粗大，雾化效果不如孔式，目前已逐渐被孔式喷油嘴取代。孔式喷油嘴用于直喷式燃烧室，雾化质量比轴针式好，但由于喷孔直径小，使用中容易堵塞，对燃油品质要求高。另外，孔式喷油嘴是液柱式喷射，几个固定的喷孔喷出的油束死角相对较大、贯穿度高，喷雾撞壁（湿壁）的问题难以克服，燃油分布和喷雾粒径不均匀，燃油不能充分气化和均匀燃烧，这是在直喷式柴油机上很难实现高均质压燃和低温燃烧以及

NOx、碳烟和 PM排放量较高的主要原因。另外，还有一种伞喷喷油嘴，优点是喷油速率高，喷雾油粒细而匀，宏观上喷雾周向分布均匀。其缺点是：油束与导向锥体碰撞后，油粒动能损失过大，导致喷雾贯穿度过低。由于这个原因，在中低负荷工况下，伞喷燃烧发动机的比油耗、烟度、排气温度低于传统发动机；在高负荷工况下，伞喷燃烧发动机的性能恶化。当油束过多时，由于碰撞后横向展开面积大，各油束产生相互干涉，在相交处油滴聚结为较大的颗粒，造成燃烧不充分，形成碳烟，后燃严重。

为解决这些问题，目前普遍采用的方法是：喷孔细小化、增加喷孔数量和喷油高压化。这样就带来三个难以解决的问题：

1、进一步縮小喷孔直径，有的喷孔直径已縮小到 (D O.OSmm , 甚至更小。过小的喷孔更加容易堵塞，工艺难度和成本增加，对燃油品质要求更加苛刻。喷孔直径尺寸的减少受到喷油持续期和贯穿率的限制，随着转速的提高，尽管涡流增强了，但所能达到的均质化程度却变差了，这是因为混合气形成的绝对时间縮短了。超细喷孔在超高压喷射条件下，压力室内存在强烈的高频压力振荡，喷孔内会存在 "气泡"（空化）现象，而这种喷孔内的流态会影响喷孔近场的流态和油滴雾化。

2、大幅度增加喷孔数量（有的多达 17个），会使过多的密集的油线根部燃油相对较浓，较远的油线受燃烧室内气流运动影响互相干扰，并在一些区域内，能把小油粒合并，影响雾化质量，造成局部燃油过富，污染排放加重。

3、喷油超高压化，受供油系统最大共轨压力的限制，它本身受零件强度与油泵驱动能量的限制，会给供油系统带来复杂性和危险性，甚至难以承受，发动机能量的附加损失也将增加。

为应对日益严峻的环境和能源问题，近年来被认为是能满足未来超低排放、甚至零排放内燃机最具潜力的 "均质压燃 ( homogeneous charge compres-sion ignition, HCCL ) 低温燃烧（low temperature combustion, LTC)"新一代内燃机燃烧理论和技术的研究开始受到重视。 HCCI发动机的燃烧与传统汽油机火花点火和柴油机缸内喷射直接控制发动机的燃烧过程不同，它是通过压縮缸内的混合气达到自然着火燃烧的，是一种着火极限和稳定燃烧极限条件下的燃烧过程。

为创造 HCCI运行所需的条件，人们采用了许多不同的研究模型和方法，如：利用外部和内部热源提高缸内温度和压力、引入辛烷值特别低的燃料、预混合充气压縮燃烧、采用可变压縮比和可变气门正时等，但都存在着一些相似的共性问题，主要是着火时刻和燃烧速率难以控制，还不能完全满足 HCCI燃烧在宽广的转速及负荷工况平面上运的要求。

因此，需要研究开发新的燃油喷射技术和雾化方法，解决实现 HCCI燃烧的三个问题：

1、如何实现先进的混合气控制策略

HCCI燃烧过程主要由混合气化学动力学控制，但混合气快速形成的方法带有强制性。因此，目前典型汽油机、柴油机 HCCI燃油雾化方法普遍采用了缸内直喷。在 HCCI稀薄预混合燃烧与低温预混合燃烧的研究中，人们发现，完全均质的混合气对于内燃机是很难实现的， HCCI的燃烧不是也不可能是绝对均匀的。因为混合气的控制是一种动态控制，即使在静态中，缸外预混好的混合气中的燃油微粒因质量重于气体分子，也会受重力影响，自然沉降、吸附合并。油滴的质量远大于气体分子的质量，迸入燃烧室后，在缸内气流运动的作用下，作不规则的紊流脉动，运动速度远快于气体分子。相对运动速度会使油滴和气体分子产生分离。质量较重、加速度较快的油滴经过相对速度的分离，会在较远的地方碰撞聚集、吸附合并，形成过浓区，导致热分层。质量重、密度大的油滴进入燃烧室后，受惯性影响会穿过质量轻、密度小的气体分子撞在缸壁、活塞端面上，如果不加大供油量，不利用外部热源对迸气道加热，提高缸内温度，促进油滴蒸发，会导致内燃机低温、冷启动性能差，混合速率、燃烧速率明显降低。理论分析和大量试验证明，油滴燃烧完所需要的时间和它的直径的平方成正比。喷雾粒径的差别过大，也会严重影响燃烧速率和温度的不均匀性。目前，不论是汽油机，还是柴油机，进气道喷射和缸内直喷，一个共同的问题是：燃油雾化都是油束式（液柱）喷射，是被动雾化而不是主动雾化。高压燃油的油柱式喷射，动能的贯穿力集中在几条油束上，不仅燃油分布不均匀，喷雾粒径也不均匀，形成油雾过浓区、高温区的弊端无法克服，不能充分气化，还极易造成喷雾撞壁（湿壁），形成积碳、稀释机油。大量研究证明，孔式喷油嘴的油柱式喷射方式，即使在超高压、超细喷孔的条件下，柴油燃料在燃烧室内形成的 "喷雾"也处于贫氧的或 "过浓"的状态（通常比理论化学当量比浓 4倍），这种高温缺氧的状态正好有利于多环芳烃（PAHs) 生成，而多环芳烃的生成正是碳烟生成的源头。传统柴油机的燃烧是一种 "理论当量比下的扩散燃烧"。由化学动力学理论可知，理论当量比下的燃烧火焰温度最高，可达 2700K, 此时伴随着最大的氮氧化物（NOx) 生成率。因此，必须改变目前传统的油柱式喷射方式，才能实现先进的混合气控制策略。

2、如何解决 HCCI在高压縮比、高速、高负荷工况下出现的循环波动问题

HCCI具有快速燃烧的倾向，并且对混合气温度极为敏感，容易出现循环波动，因而难以控制，目前只限于应用在低负荷、中低速运转区域，还不能在高压縮比、高速、高负荷工况下实用。因此，需要通过改迸燃油的喷射方式和雾化方法，进一步提高 HCCI燃烧的鲁棒性，防止爆震和失火交替发生的循环波动。

3、如何解决喷雾时间控制和精确着火问题

汽油机和柴油机 HCCI燃烧存在一些相似的共性问题，主要是着火时刻和燃烧速率控制问题。由于这些问题， HCCI燃烧要在宽广的转速及负荷工况平面上运行还有较大困难，控制不好，甚至出现油耗恶化，无法满足国 IV (欧 IV )及其以上排放法规。为保证可靠的着火和燃烧控制精度，目前探讨研究了多种 HCCI燃烧反馈控制，如：缸压传感器、离子电流传感器、曲轴加速度信号、爆震传感器等，但都存在不同程度的问题。同时，由于喷雾时间和精确着火电控系统的复杂和成本过高，可能会增大 HCCI发动机产业化的难度。因此，需要一种强制性的精确着火控制手段和一个可靠的低成本的解决方案。

与往复式内燃发动机使用的孔式、轴针式喷油嘴不同，目前公知的涡轮和涡轮轴发动机使用的是一种开式离心式喷油嘴或离心式甩油盘。离心式喷油嘴和离心式甩油盘内部没有能够直接关闭喷孔的装置，因而喷孔始终是开放的。离心式喷油嘴的结构型式有简单离心式喷油嘴、双油路双喷口离心式喷油嘴和双油路单喷口离心式喷油嘴之分。离心式喷油嘴的雾化性能一般良好，并具有较大的喷雾锥角。中间空心的伞状油雾容易与燃烧室中空气的流场相配合。可是它有以下一些缺点：（1 )、简单离心式喷油嘴在最高喷油压力降的情况下，燃料流量可调范围相当窄。由于切向孔的尺寸固定不变，因而当喷油量减少时，燃油流迸旋流室的速度必然会明显下降，这样，也就会使燃料离开喷口时的切向速度大幅度降低，从而导致雾化质量严重恶化。（2)、双油路双喷口离心式喷油嘴实质上是把两个彼此独立的简单离心式喷油嘴并联在一起联合工作，因而燃料流量的可调范围比一个相当的简单喷油嘴的流量可调范围大得多，缺点是当第二条主油路刚投入工作时，由于起始喷油压力很低，在瞬时间内会使喷雾质量有所恶化。（3)、双油路单喷口离心式喷油嘴的优点是燃料流量可调范围比较宽，缺点是两条油路之间相互有干扰，由于反压的作用，当第二级主油路投入时，会使旋流室中油流的旋转速度减慢，从而严重地恶化了燃料的雾化质量。另外，还有一种结构比较复杂的切向孔（槽）面积可以调节的离心式喷油嘴。上述几种离心式喷油嘴虽能在一定程度上扩大了燃料流量的可调范围，并能适当改善低负荷工况下的喷油雾化质量，但是当第二条油路刚投入工作时，喷雾质量总会有明显恶化，喷油量也会发生瞬时间的突跳。同时，由于喷油压力变化范围的限制，燃料流量的可调范围仍然不可能做得很大。这种离心式喷油嘴的喷射和关闭，是靠燃油泵的起动和停止来实现的。从油泵到喷油嘴之间，有一条或两条供油管道，发动机关闭后，燃油泵停止工作时，由于离心式喷油嘴的喷孔始终是开放的，从油泵到喷油嘴之间的燃油会从供油管道、喷油嘴经喷孔自动泄出排空，使供油系统处于无油的中空状态。发动机再次起动时，燃油泵需将燃油再次注满排空的供油管道和喷油嘴之间的空间，才能到达喷孔喷射，燃油压力有一个短暂的缓慢升高过程，造成发动机起动瞬时燃油压力下降，起始雾化压力降的喷油压力低于临界数值，因而喷射初始瞬间油压过低，燃油压力在没有达到额定压力值之前，离心式喷油嘴已开始喷油，导致雾化及燃烧效果不好，引起排气发烟，起动响应慢等问题。燃油未充分燃烧的排气黑烟含有的微小颗粒状物质中，主要成分的碳粒、微量的金属盐类等，会增加火焰筒、燃烧室机匣、涡轮叶片的积碳，降低工作效率。积碳会使火焰筒、燃烧室机匣、涡轮叶片金属表面与冷空气隔绝，造成大面积局部过热，导致局部热应力现象、翘曲、变形和裂纹。另外，积碳还会使部分喷油嘴堵塞，使发动机使用时涡轮前温度场不均匀性增大，火苗方向与燃烧室轴线不平行，导致燃烧室燃烧过程被破坏，造成涡轮导向叶片和工作叶片烧伤，引发事故。喷油嘴大部分堵塞时，会引起发动机失速或自动停车，危害飞行器安全。部分涡轮轴发动机的供油方式采用了离心式甩油盘。离心式甩油盘能够保证喷出的燃油充分雾化，构造简单、重量轻、便于维护。但发动机经长时间工作后和每次起动后，射油孔易形成沿淀性积碳，造成油孔部分堵塞，引起供油减少，发动机功率相应降低。严重时，发动机在地面转速摆动，或达不到正常最大转速；在飞行中，当瞬间增减桨矩时，发动机不能迅速恢复恒定转速，在加减油门时，发动机会出现脉动性振动并引起机身抖动；在起动过程中，当喷油孔截面积被堵塞达 60〜80 %时，会引起供油压力严重不足，使发动机转速受到限制。目前的离心式喷油嘴和离心式甩油盘容易形成积碳、造成堵塞的主要原因是不能直接关闭喷孔，导致发动机关闭后，从油泵到喷油嘴之间的燃油从供油管道、喷油嘴经喷孔自动泄出排空时，在还没有得到冷却的燃烧室内残留的高温、高热环境下，长时间反复蒸发分解、附着沉淀、变硬变厚形成的。

公开（公告）号： CN1818372是一种带针阀头部保护罩的伞喷喷油嘴，该专利技术方案的燃油喷射方法是靠高压燃油撞击针阀头部完成的，这种单纯的撞击喷射会使部分燃油反溅在保护罩内，使油粒合并，动能损失大，喷雾贯穿度低，在高负荷工况下，燃烧恶化。公开（公告）号： CN201092922是一种涡旋伞喷喷油嘴，该专利技术方案中的高压燃油要经过喷嘴与外圆的环隙迸入沿凹坑坑壁上设置的对称的切向进油槽，在平面凹坑内形成涡流，再通过喷嘴前端的喷孔喷射，燃油流动环节转折多，阻力大，涡旋能力弱。平面凹坑内没有自洁功能，残留燃油过多，在高温环境下容易形成积炭，无法清除。喷嘴的中孔与外圆过盈配合，由于膨胀系数的不一致，在高温高压环境下，喷嘴的中孔容易松动脱落。公开（公告）号： CN2173311是一种液体喷射雾化喷嘴，该专利技术方案当燃油液体在油泵的高压下通过其针阀下端柱塞圆柱形表面上均匀分布的多条螺旋形沟槽时，会对多条螺旋形沟槽产生斜向反作用力，推动螺旋形沟槽带动针阀反向旋转，抵消螺旋形沟槽的雾化作用；多条螺旋形沟槽的齿状外圆接触面，不是光滑的圆柱体，与针阀体内圆的动配合密封间隙难以保证；螺旋形的斜向喷射，燃油的雾化锥角相对较小，燃烧中心前移，火焰较长，会限制发动机的运转负荷；螺旋形沟槽的燃油通道长，深度浅，燃油的流动和喷射阻力大。公开（公告）号： CN1204747是一种回油式机械雾化喷嘴，该技术方案没有针阀，不能控制正时喷油，因而不能在往复式内燃发动机上使用；又由于其喷孔是开式的，不能被直接关闭，在涡轮和涡轮轴发动机、燃气轮机上使用，仍然不能解决停机后供油管道燃油外泄，造成喷射初始瞬间燃油压力低，影响雾化燃烧效果，排气发烟，起动响应慢，容易形成积碳等问题。公开（公告）号： CN101368740是一种闭式脉动离心喷油嘴，该专利技术方案在大功率重型发动机循环喷油量较大时，如果增大喷孔直径，可能会使油膜变厚，影响雾化质量。

为解决上述问题，本发明通过技术重组、功能创新，希望能找到一个新的途径，设计开发了离心式伞喷喷油嘴，主要技术特征是：在离心式喷油嘴中设置针阀（5)，针阀（5) 头部设置节流导向锥体（13)。在针阀体（1 ) 内设置衬套（4)，衬套（4)、进油道 (3 )和 (6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室 ( 10)、喷孔 ( 11)、喷口 ( 12) 为一体。本技术方案各技术特征彼此相互关联、相互支持，取得了新的功能和技术效果，克服了现有技术中存在的缺点和不足，分别解决了往复式内燃发动机及涡轮和涡轮轴发动机喷油嘴存在的问题。

本发明的目的是用离心式伞状喷雾这一技术方案，为往复式内燃发动机提供一种新的燃油雾化方法及结构设计，把喷射的直向贯穿力变为旋转力，把燃油的液柱分裂改为液膜分裂，喷孔（11 )喷出的不再是几条互相孤立的油束，也不是靠碰撞产生的油雾，而是一个无密实油束核心、贯穿距可控的旋转的伞状雾化油膜。在同等喷油压力条件下，喷雾粒径的平均粒径、索特平均粒径和粒径分布的指标，均好于孔式和轴针式喷油嘴的油柱式喷射，能增加油气结合面积，实现相对大尺度的快速混合，改善和提高燃油的分布均质特性，促进快速放热，縮短油束的贯穿度，避免喷雾撞壁，提高喷射雾化质量和燃烧效率，减少污染排放，防止喷孔（11 )堵塞，延长喷油嘴使用寿命。在汽油机 HCCI燃烧中，本专利采取的旋转的伞状油膜喷束引导方式，不是在进气过程中喷油，而是在压縮行程接近上止点时喷油，与壁面引导和气流引导的稀薄预混合燃烧、低温预混合燃烧的燃油被动雾化方式不同，是一种燃油的主动雾化方式，接近于柴油机的质调节，因而可以精确控制着火相位和燃烧速率，避免 HCCI临界状态时，燃烧不稳定，循环波动大，着火发生在上止点后，爆震和失火交替发生，转速和输出转矩波动较大的问题。采用高压縮比时，随压縮过程的进行，缸内空气压力和温度不断升高，在上止点喷油始点附近气体温度高达 60CTC以上，高于汽油燃料在当时压力下的自燃温度（300〜400°C)。高速旋转的伞状油膜在高压喷射过程中产生的动能，在和密度、黏性、阻力较大的高压縮比空气的大面积摩擦、撞击、穿透和混合中，释放出的热能会使油滴迅速升温。均布的燃油微粒表面张力和内聚力破碎时的微小气泡释放出的高温累积效应和气体分子在急剧压縮后能量转换释放出的热能，可以使放热速率大于散热速率，使焰前温度升高到油滴的蒸发沸点，从而实现链式热力着火，达到混合气自燃和多点同时着火，解决了控制 CI (压縮着火）、着火时刻和燃烧速率的问题。在低温、冷启动阶段，可采取火花塞辅助点火，解决着火的可靠性。在柴油机的 HCCI燃烧中，高速旋转的伞状油膜雾化方式，解决了控制 HC (均质混合气）的问题。本专利采取高压离心喷射（效果优于更多的密集的喷孔或类似稀燃 GDI 汽油机单靠挤压、碰撞喷射的伞喷油嘴）、脉动针阔控制喷雾时间和着火时刻（不采用任何反馈控制、优于电控系统的复杂性和高昂的成本）的技术方案和喷油策略，对解决 HCCI燃烧过程中，实现均质压燃，燃烧全历程强化混合，避免喷雾撞壁（湿壁）、精确控制喷雾时间和着火时刻，确保燃烧稳定性，扩大 HCCI运行区域等问题，提供了一个可靠的低成本解决方案。同时，用这一技术方案，为涡轮和涡轮轴发动机离心式喷油嘴提供了一种扩大燃料流量可调范围，能够直接自动开启、关闭喷孔的控制结构和方法，解决目前开式离心式喷油嘴燃料流量的可调范围小，不能直接关闭喷孔，停机后燃油外泄，起动初始瞬间燃油喷射压力低，影响雾化燃烧效果，排气发烟，起动响应慢，增加积碳，容易堵塞的问题。

本发明的目的是这样实现的：位于喷油嘴针阀体（1 ) 内的针阀（5)，在油泵燃油压力变化下往复滑动，针阀（5) 座面（16) 与旋流室（10) 座面（17) 配合，脉动式直接开启和关闭位于旋流室（10) 中央前端的喷孔（11 ) 和喷口（12)，保证正时喷油。在针阀体（1 )内的压力室（8)与喷孔（Π )之间，有多个均布的切向孔（9)，带有切向力的燃油经过旋流室（10) 旋转后，离开喷孔（11 ) 时具有切向运动速度。油流在切向离心力的作用下从喷口（12) 喷出，形成一个高速旋转的伞状雾化油膜，并很快在外力（燃烧室的气流运动及反作用力）作用下，分裂成为燃油微粒，形成油气混合气。在停止喷油时，针阀（5) 座面（16)将切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔 ( 11 )全部封闭，并起到清刷积碳、防止堵塞的自洁作用。开始喷油时，随着针阔 (5) 抬高上移，切向孔（9) 截面积逐渐被打开，喷油量也就逐渐增加。在低转速的情况下，供油压力不变，循环喷油量减少，在喷油器压力弹簧的限制作用下，针阀升程（14) 的抬高和持续时间缩短，针阀（5) 座面（16) 升程的抬高和持续时间也随之縮短，切向孔（9) 开启的截面积和旋流室（10) 容积同吋减少，燃油进入旋流室（10) 的入口速度增加，旋转更为强烈，在喷孔（11 ) 出口处的切向速度也随之增加。同时，切向孔（9) 开启的截面积和旋流室（10) 容积的减少，使供油管道内的燃油流动阻力相对增大，燃油体积瞬间被相对压縮，喷射压强增大，流速加快，燃油在经过旋流室（10) 离开喷孔（11 ) 和喷口（12) 时仍可保证有足够的切向速度和旋流强度。在喷油结束阶段，由于喷油压力下降，油的喷出速度降低，油雾内部的负压减小，所以使油雾向中心收縮的趋势减小，从而使雾化角稍有增加。在这个过程中，由于喷油器弹簧压力和燃油压力的相互作用，针阀（5) 上下反复滑动，针阀升程（14) 不断变化，切向孔（9) 截面积和旋流室（10) 容积的开启程度是不断变化的，即使在低负荷工况下循环喷油量较少时，油流在旋流室（10) 中的切向速度仍然可以很高，这样就能够保证燃油的雾化质量始终是良好的。因此，燃料流量可调范围比较宽，以适应往复式内燃机和涡轮、涡轮轴发动机机组不断加速及全负荷范围内的需要。

本发明由于雾化方法的改变，燃油离开喷孔（11 )和喷口（12)时带有切向贯穿力和旋转力，油流中的紊流脉动、对气流的巻吸作用要比不旋转时强烈，因此比目前公知的轴针式、孔式以及伞喷式喷油嘴单 *6靠挤压力进行碰撞喷射的雾化质量要好。燃油在贯穿力和离心力的作用下，形成的射线沿中空的雾化锥体底圆 360° 分布，实际上是把轴针式、孔式喷油嘴所能达到的一个或几个固定方向有限的油束，裂化分解为无数条更细的燃油射线。高速旋转的伞状油膜从喷孔（11 )和喷口（12) 的环形截面喷出时，节流导向锥体（13)前部是气体漩涡。由于它的当量喷孔面积较大，燃油喷射的摩擦力和表面张力、内聚力的释放阻力减少，同等时间喷出的流量增大，使燃油射线速度加快，颗粒细度、均匀度、均质性更好，从而不需要大幅度增加现已匹配的喷油泵压力。相同的循环喷油量，提高喷油速率有助于增加混合气形成的绝对时间，可使燃烧速率加快、燃烧提前结束，为燃气的膨胀过程提供更多的时间，减少油耗，排气终了温度较低，低温、冷启动性能好。喷孔（U )直径的相对增大，燃油流动的摩擦力、阻力减少，使喷油持续时间较供油持续时间縮短，最大喷油速率较最大供油速率提高，使喷油规律初期缓慢，中期急速，后期快短。喷油压力的减轻，可以使目前广泛使用的高压共轨喷油系统存在的对燃油品质的 "容忍"度较小、系统成本相对较高、控制变量多、产品开发周期长等许多不足得到改善。由于本发明伞状油膜不是像伞喷喷油嘴那样靠挤压、碰撞导向锥体喷出，而是切向旋转自由喷出，避免了与导向锥体的碰撞和油束反溅，油束、油粒的动能损失小，不会因为迎风面积大，导致贯穿率过低。节流导向锥体（13 ) 过渡弧面（18) 和与之相对应的衬套（4) 过渡弧面 ( 19) 的弧度，以及节流导向锥体（13 ) 喷口（12) 位置的喷射引导角（21 )，可以影响和控制旋转的中空的油膜雾化锥角（22)。喷口（12) 直径（15) 的调整，可以调整控制油膜厚度。节流导向锥体（13 )过渡弧面（18)的外径与其相对应的衬套（4) 过渡弧面（19) 的内径之间的喷孔（11 ) 间隙所形成的环形截面（20) 的截面积，可通过同时增加或减少环形截面（20) 外圆和内园的直径，增加或减少环形截面（20) 的截面积大小，即可调整控制喷孔（11 )、喷口（12) 循环喷油量，又可控制油膜的喷射厚度。旋转的伞状油膜弥补了油柱式喷射的几条油束之间的死角，扩大了燃油的分布空间和均匀性，大尺度的增加了油气接触面积，避免了局部过浓区，加速了吸热和气化过程，使混合气的反映时间充足。在相同的循环喷油量、喷油速率情况下，由于混合气形成的面积增加、速度加快、吋间縮短，气化吸热的燃油量增大，从而使着火前放热率曲线负值延长，着火落后期（滞燃期）、速燃期放热始点时间推迟。在缓燃期和后燃期，后续喷出的燃油仍然保持着高速旋转的伞状雾化油膜状态，均质分布特性稳定，几乎与速燃期同时着火，改善了预混合燃烧阶段和扩散燃烧阶段的非均质特性，避免了油柱式喷射放热速率前高后^^ 缓燃期和后燃期油束根部混合气过浓、贫氧，主要依赖着火落后期和速燃期的高温进行蒸发雾化，导致产生大量的 NOx、碳烟和 PM的问题，使油滴燃烧更加充分完全，提高了发动机的热效率和经济性能，减少了污染排放。后燃期和放热持续期时间縮短，有利于减少燃烧噪声和振动，降低燃烧粗暴度，改善和避免柴油机燃烧特有的 "双峰"现象。为解决 HCCI具有快速燃烧的倾向，对混合气温度极为敏感，容易出现循环波动，因而难以控制，目前只限于应用在低负荷、中低速运转区域，还不能完全满足 HCCI燃烧在宽广的转速及负荷工况平面上运行的要求，无法在发动机整个运转范围内实用的问题，提供了一个新方法。

同时，本发明为涡轮和涡轮轴发动机离心式喷油嘴提供了一种扩大燃料流量可调范围的新结构、新方法。由于本发明能够直接自动开启、关闭喷孔，也就解决了涡轮和涡轮轴发动机在停机时，供油管道和喷油嘴里的燃油经喷孔自动泄出排空，再次起动时，出现起始雾化压力降的喷油压力低于临界数值，喷射初始瞬间燃油压力过低，影响雾化燃烧效果，排气发烟，起动响应慢的问题，提高了发动机的起动灵敏度，縮短了发动机起动时间，减少了火焰筒、燃烧室机匣、涡轮叶片积碳，防止了喷油嘴堵塞，提高了飞行器的安全性和工作效率。

本发明由于针阔（5) 座面（16) 与旋流室（10) 座面（17) 直接配合，能可靠有效的开启和关闭供油，使每次完成喷射后，喷孔（11 ) 与针阀（5) 之间的残留燃油减少到最小限度。针阀（5) 头部的节流导向锥体（13 ) 喷孔（10) 位置的过渡弧面（18)和衬套（4)喷孔（10)位置的过渡弧面（19)，避免了切向孔（9)、旋流室 ( 10)切向旋转的油束与节流导向锥体（13)的撞击，并起到引导油流圆滑过渡、加快切向旋转的作用。节流导向锥体（13 )过渡弧面（18)的外径与其相对应的衬套（4) 过渡弧面（19) 的内径之间喷孔（11 ) 间隙所形成的环形截面（20) 面积的调整，起到控制循环喷油量的作用。喷口直径（15)可控制油膜的喷射厚度。节流导向锥体（13 ) 喷口（12) 位置的喷射引导角（21 ) 可调整旋转的喷雾锥角（22)。针对往复式内燃发动机及涡轮和涡轮轴发动机的喷油嘴是一种在高速、高温、高压环境中工作的精量控制装置，微小的差别就会导致机组运行质量、节能减排大的差别。本专利采取的衬套（4)与进油道（3)和（6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、喷口（12)为一体的技术方案，封闭了喷油嘴内部在超高压、超短脉冲燃料喷射状态下，可能影响雾化质量，漏油、窜油的流动途径，解决了进油道（3 ) 和（6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室（10) 各组件之间，针阀（5) 与衬套（4) 的动配合，针阀体（1 ) 与衬套（4) 的静配合，所有要素的整体配合密封性难题，可靠有效，作用突出。本发明为往复式内燃发动机 HCCI燃烧提供了一种新的混合气组织和控制方法及喷射自动开闭控制结构；同时，为涡轮和涡轮轴发动机离心式喷油嘴提供了一种扩大燃料流量可调范围和能够直接自动开闭喷孔，防止燃油外泄，提高起动灵敏度和雾化质量，避免喷孔积炭堵塞的结构和方法。

本发明的具体结构由以下的实施例及其附图给出：

图 1是离心式伞喷喷油嘴偶件的剖面结构图。图中针阀（5) 处于喷油雾化状态的开启位置。

图 2是图 1的右视图。

图 3是图 1的左视图。

图 4是图 1的 A— A剖面图。

图 5是图 1的 B— B剖面图。

图 6是该装置衬套（4)、针阀（5)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、喷口（12)、节流导向锥体（13)、针阀升程（14)、喷口直径（15) 的局部放大图。图中针阀（5) 处于喷油雾化状态的开启位置。

图 7是该装置衬套（4)、针阀（5)、切向孔（9)、喷孔（11 )、节流导向锥体（13) 局部放大图。图中针阀（5) 处于停止喷油雾化状态的关闭位置。

图 8是该装置衬套（4)、针阀（5)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、喷口（12)、节流导向锥体（13)、针阀（5) 座面（16)、旋流室（10) 座面（17)、节流导向锥体（13 ) 位于喷孔（11 ) 位置的过渡弧面（18)、衬套（4) 位于喷孔（11 ) 位置的过渡弧面（19) 的局部放大图。图中针阀（5)处于喷油雾化状态的开启位置。

图 9是该装置衬套（4)、针阀（5)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、节流导向锥体（13)、节流导向锥体（13 )喷口（12)位置的喷射引导角（21 )、旋转的喷雾锥角（22) 的局部放大图。图中针阀（5) 处于喷油雾化状态的开启位置。

图 10是图 9的 C一 C剖面图。（20) 是 C一 C剖面图中衬套（4) 位于喷孔（11 ) 位置的过渡弧面（19) 和节流导向锥体（13 ) 位于喷孔（11 ) 位置的过渡弧面（18) 之间的喷孔（11 ) 间隙的环形截面。图中针阀（5) 处于喷油雾化状态的开启位置。

在图中：

图 1 : 该装置包括一个针阔体（1 )，针阀体（1 ) 上有定位孔（2) 和（7)，针阀体（1 ) 内有衬套（4)、针阀（5)、进油道（3 ) 和（6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )。衬套（4)、进油道（3 )和（6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、喷口（12)为一体。针阀（5)头部有节流导向锥体（13)。图 1中，针阀（5) 处于喷油雾化状态的开启位置。

它的工作原理如下：

当油泵中的压力燃油从针阀体（1 ) 与衬套（4) 之间的进油道（3 )和（6)进入压力室（8) 达到额定压力后，一方面推动针阀（5) 后移，开启喷孔（11 )，同时进入切向孔（9)，受切向力推动的燃油进入旋流室（10)后，产生圆周旋转运动，在切向离心力的作用下经喷孔（11 )从喷口（12)喷出，形成一个高速旋转的伞状雾化油膜，并很快在外力（燃烧室内的气流运动及反作用力）作用下，分裂成为细小油粒，形成油气混合气。

当油泵停止供油时，针阀（5) 在喷油器压力弹簧（喷油器与喷油嘴合称为喷油器总成，喷油器体内有进油口、滤芯、压力弹簧、压力调整垫片、进油道、回油接头等组件。因不属于喷油嘴偶件，故图中未画出。）压力下，如图 7所示，头部座面（16) 与旋流室（10) 座面（17) 配合关闭喷孔（11 )。

需要注意的是：

1、衬套（4) 与针阀体（1 ) 应轻度过盈配合，以避免在高温高压环境中两者膨胀系数的不一致，引起松动漏油。喷油嘴的结构尺寸、加工质量对雾化质量的影响很大，应当给予足够重视。凡是油流经过的地方，如切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔

( 111 ) 要达到较高的光洁度，旋流室（10)、喷孔（11 ) 应当同心，切向孔（9) 应当切于旋流室（10)，各主要尺寸不应超过规定的公差范围。

2、切向孔（9) 数量应在 2个以上均布。均布的切向孔（9) 截面积总和，不应大于进油道（3 ) 和（6) 截面积的总和。切向孔（9) 的数量适当多一些，使燃油沿旋流室（10)分布均匀，有利于获得较好的雾化质量。但是，切向孔（9)数量太多，给加工带来麻烦。而且，切向孔（9) 太多时，每个孔的截面积相对要小，运行时容易堵塞，对雾化质量的改善也不大，一般以 3〜6个为宜。切向孔（9) 的长度不能太短，太短，燃油会直接进入喷孔（11 )，形不成旋流。切向孔（9) 的孔数、长度、直径、流量、流速和切向喷射角度，旋流室（10)直径，喷孔（11 )直径，针阀升程（14)，这些要素共同组成流通特性，并参与调整控制旋流的强度，可根据发动机功率的循环喷油量、燃烧室结构、配气方式进行匹配。

3、切向孔（9)喷射的切向角度和水平度、旋流室（10) 的座面（16)锥度、喷孔（11 ) 的几何形状和流通截面积、针阀升程（14)、喷口（12) 喷射导引角（21 ) 相互作用，共同形成不同的喷雾锥角。

4、切向孔（9)根据加工方法和需要，可以是圆形，也可以是方形或椭圆形。切向孔（9) 顺时针或逆时针的切向喷射角度、旋流方向，应根据配气方式调整。切向孔（9) 喷射的水平角度应与针阀（5 ) 座面 (16)的角度相接近，以减少切向孔（9) 喷射的部分燃油与针阔（5) 座面 (16)的正面撞击。

5、针阀（5)座面（16) 的锥度 =旋流室（10) 座面（17) 的锥度，以保证针阀 (5)座面（16)、旋流室（10)座面（17) 两者配合的封闭精度，尽量减少残余燃油的空间。

6、燃油在旋流室（10) 已开始裂解，并有极小比例的气体参与混合。由于燃油要经过切向孔（9)、旋流室（10) 旋流，喷油时间应当稍微提前。

7、根据 HCCI的燃烧特性和本喷油嘴的雾化方法，喷油嘴应当尽量在燃烧室居中置顶设计，进行高速旋转的伞状油膜喷束引导，避免 "湿壁"。贯穿率 1，防止火焰被 "锁定"在中心区域，造成燃烧不完全。

8、节流导向锥体（13 ) 的过渡弧面（18) 是为了避免切向孔（9) 的切向旋流与节流导向锥体（13) 的柱面垂直撞击，形成少量反弹。如果不采用过渡弧面（18)，应当縮短喷孔（11 ) 长度，但那样会使喷孔（11 ) 磨损加快。

9、考虑到单次喷油策略更适合 HCCI高压縮比、高速、高负荷工况的情况，可以不用多脉冲喷射，因此图中切向孔（9)只画出了一组。由于内燃机功率差别很大，对于不需要预喷的中小型高速内燃机，一组切向孔（9) 即可满足需要。对于需要预喷和主喷的大功率低速内燃机，两组切向孔（9)可能比较合适。切向孔（9)可根据预喷、主喷两次喷射的需要，实行上下两组重叠设计。靠近喷孔的一组小流量切向孔

(9) 为预喷，上面一组大流量切向孔（9) 为主喷。同时加大针阀（5) 升程，先后开启上下两组切向孔（9)，实现两次喷射。

Claims

1、用于往复式内燃发动机及涡轮和涡轮轴发动机燃油系统的离心式伞喷雾化装置，其特征是：针阀体（1 )上有定位孔（2)、（7)，针阀体（1 )内有衬套（4)、针阀（5)、进油道（3) 和（6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、喷口（12)，压力室（8) 与旋流室（10) 之间有一组能使燃油产生旋转运动的切向孔（9)，针阀（5)头部有节流导向锥体（13)，针阀（5) 座面（16) 与旋流室（10) 座面（17) 配合，可关闭、开启喷孔（11 )。

2、根据权利要求 1所述的离心式伞喷雾化装置，其特征是：衬套（4)、进油道（3 ) 和 (6)、压力室（8)、切向孔（9)、旋流室（10)、喷孔（11 )、喷口（12) 为一体，衬套（4) 与针阀体（1 ) 过盈配合。

3、根据权利要求 1或 2所述的离心式伞喷雾化装置，其特征是：针阔 (5) 头部的节流导向锥体（13 )喷孔（10)位置有过渡弧面（18)，衬套（4)喷孔（10)位置有过渡弧面（19)，节流导向锥体（13 ) 喷口（12) 位置有喷射引导角（21 )，衬套（4) 喷口（12) 位置有旋转的喷雾锥角（22)，节流导向锥体（13 ) 过渡弧面（18) 的外径与其相对应的衬套（4) 过渡弧面（19) 的内径之间有喷孔（11 ) 间隙所形成的环形截面（20)。