具有碰撞噴射的液體噴射器霧化器的制造方法
【專利說明】具有碰撞噴射的液體噴射器雲(yún)化器
[0001] 相關(guān)申請的交叉引證
[0002] 本申請要求于2012年11月20日提交的美國臨時(shí)專利申請第61/728, 525號、于 2013年6月24日提交的美國臨時(shí)專利申請第61/838, 675號W及于2013年10月15日提 交的美國臨時(shí)專利申請第61/891，118號的優(yōu)先權(quán)。上面指出的該些美國臨時(shí)專利申請通 過引證結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及用于產(chǎn)生霧化液的設(shè)備和方法。更具體地，本發(fā)明設(shè)及一種用于內(nèi)燃 機(jī)的霧化液體噴射器。
【背景技術(shù)】
[0004] 實(shí)現(xiàn)用于注入到往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)中的液體的有效霧化是火花點(diǎn)火、壓縮點(diǎn) 火（柴油）或連續(xù)式內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)和操作的一個(gè)重要方面?，F(xiàn)有技術(shù)方法包括使用非常高 的壓力、使用非常小的噴孔、W及使用將液體流分散的防沖板或小柱形障礙物。
[0005] 實(shí)現(xiàn)用于往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)中的冷卻、減少爆震、NOx降低的有效霧化是設(shè)計(jì) 和操作的一個(gè)重要方面，并且相對于更大的燃料經(jīng)濟(jì)性和更低的排放提供大量優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 液體燃料和水通常注入到發(fā)動(dòng)機(jī)中。燃料可為柴油型燃料、汽油（石油）、酒精及 其混合物。柴油型燃料包括JP-8、噴氣燃料W及煤油。酒精包括與汽油共同混合在一起的 己醇和甲醇。水通常注入到發(fā)動(dòng)機(jī)中，W提供內(nèi)部冷卻效應(yīng)、爆震、NOx降低，并且該是因?yàn)?在燃燒期間，尤其是如果在通過外部冷卻和排氣損失的熱量中存在凈減少，則由轉(zhuǎn)化成蒸 汽的液態(tài)水提供大膨脹系數(shù)。
[0007] 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)通常使用燃料噴射，W將燃料引入到發(fā)動(dòng)機(jī)中。該種燃料噴射可為端 口噴射或直接噴射。在端口噴射中，燃料噴射器位于進(jìn)氣輪系或進(jìn)口歧管中的在汽缸之前 的某個(gè)點(diǎn)上。在直接噴射中，噴射器位于每個(gè)汽缸中。
[0008] 注入到汽缸內(nèi)中燃料和其他液體的霧化較為重要。最佳地，在注入的液體流與發(fā) 動(dòng)機(jī)的任何內(nèi)部表面接觸之前，將任何噴射的液體霧化。如果液體接觸汽缸表面，則可洗掉 潤滑劑和沉積物，該引起次佳燃燒。在燃燒期間沉積的燃料引起碳沉積、更大的排放W及更 小的發(fā)動(dòng)機(jī)功率?？商鎿Q地，在注入水時(shí)，非潤滑的內(nèi)表面（例如，汽缸蓋和活塞表面）上 的沖擊可提供一些優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 在傳統(tǒng)的燃料噴射器或霧化器內(nèi)的噴霧構(gòu)造通常是錐形的，其通常具有縱禍，但 該個(gè)構(gòu)造不受限制并且可導(dǎo)致在直接噴射系統(tǒng)中的活塞和汽缸壁部上沖擊液體。尤其在高 壓縮發(fā)動(dòng)機(jī)中，頂部空間非常有限，該使得更加難W在該種發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行霧化，而不與發(fā)動(dòng) 機(jī)內(nèi)表面上的液體流接觸。
[0010] 有效霧化的一種方法在于使用高壓液體噴射和小噴孔，但高壓系統(tǒng)昂貴并且容易 發(fā)生故障，而且小噴孔容易堵塞。
[0011] 有效霧化的一種方法還在于與液體一起使用氣動(dòng)剪切，其中，高壓的快速運(yùn)動(dòng)的 空氣用于對液體流進(jìn)行剪切，w實(shí)現(xiàn)霧化。該種方法本身在使液滴分散方面具有限制。此夕F，所W如果有可能的話，由于在高壓下提供空氣或氣體，具有復(fù)雜性，所W難W在直接噴 射構(gòu)造中該應(yīng)用。
[0012] 在液體燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中還已知碰撞式噴射件，其為將燃料和氧化劑混合在一 起的裝置。用于內(nèi)燃機(jī)的噴射器與現(xiàn)有技術(shù)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的不同之處在于，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴 嘴不是'開始-保持-停止'型計(jì)量裝置，而用于內(nèi)燃機(jī)的噴射器被設(shè)計(jì)為根據(jù)命令而輸送 特定量的液體。該需要隨著時(shí)間小屯、控制流速，該通常通過電磁閥來實(shí)現(xiàn)，但還可通過液壓 先導(dǎo)驅(qū)動(dòng)、液壓放大、壓電堆疊、氣動(dòng)裝置或其他方法來控制。而且，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的碰撞 式噴射旨在用作混合方法，其中，注入兩個(gè)單獨(dú)的流體（通常是燃料和氧化劑），W相互作 用并起反應(yīng)，而非用作僅用于將流體分散成液滴或霧化噴射的機(jī)構(gòu)。
[0013] 傳統(tǒng)的霧化器和噴射器使用高壓來促使液體通過小噴孔。因此，由施加壓力所提 供的動(dòng)能幾乎完全用于使流體加速，并且由于空氣剪切、阻力或拖曳而發(fā)生任何分散或霧 化。通過觀察和理論，顯然在開始分散之前噴射行進(jìn)大量距離。在具有有限的腔室尺寸（在 大部分客車中為大約10cm)的內(nèi)燃機(jī)中，在分散之前的噴射的"液體長度"或長度比在燃燒 室內(nèi)離噴射器尖端最遠(yuǎn)的點(diǎn)更高。該表示在分散之前，噴射將對活塞和/或汽缸壁部進(jìn)行 沖擊。需要一種新機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)更好的分散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式包括；噴射器殼體；液體入口，該液體入口被構(gòu)造為禪接 至液體的外部源；柱銷閥，該柱銷閥與所述液體入口流體連通，所述柱銷閥被構(gòu)造為能調(diào)節(jié) 地測量來自液體的外部源的液體流；W及多個(gè)液體通道，該液體通道與柱銷閥流體連通并 且終止于形成在噴射器殼體的外表面上的相應(yīng)的傾斜噴孔，所述液體通道被確定尺寸且傾 斜成將相應(yīng)的液體噴射引入位于遠(yuǎn)離形成傾斜噴孔的平面的限定位置處的共同碰撞點(diǎn)中。 所述限定位置沿著霧化噴射器的中屯、軸線定位在與外表面相距的一距離處，所述距離被確 定尺寸成使霧化液在外表面上的沖擊最小化并且小于滿足等式L=dXCXSM或等式L= (A"AP)/[o+Cd"XAP/pJ，C= (PanCd。/^的較小值的液體長度距離，其中，d是Wm 為單位的傾斜的噴孔直徑，m是常數(shù)，并且SM是由（V/ 0 )X(2APXP)I/2限定的系數(shù)，其 中，V是WmVs為單位的運(yùn)動(dòng)粘度，0是WN/m為單位的表面張力，AP是WN/m2為單位 的在傾斜的噴孔之上的壓降，并且P是Wkg/m3為單位的流體密度，其中，d。是Wm為單位 的傾斜的噴孔直徑，A"=JTCU2/4是為單位的噴孔面積，AP是WN/m2為單位的在傾 斜的噴孔之上的壓降，0是WN/m為單位的表面張力，P^是Wkg/m3為單位的流體密度， P。是Wkg/m3為單位的空氣密度，并且Cd。是在軸向流動(dòng)中的汽缸的表面摩擦阻力系數(shù)。
[0015] 制造本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，鉆鑿第一液體通道，所述第一液體通道從噴射器主 體的外表面中延伸到設(shè)置在形成于噴射器主體中的腔體內(nèi)的柱銷座部；鉆鑿第二液體通 道，所述第二液體通道從噴射器主體的噴嘴梢的外表面延伸，W在各自的第一液體通道的 非端部區(qū)域處與第一液體通道相交，所述第二液體通道終止于噴孔，所述噴孔形成在噴射 器主體的噴嘴梢的外表面上并且W-角度傾斜，第二液體通道被構(gòu)造為引導(dǎo)離開噴孔的噴 射，W在噴射器主體外面的限定點(diǎn)處發(fā)生碰撞；W及在噴射器主體的外表面與第一液體通 道和第二液體通道的交叉點(diǎn)之間密封第一液體通道。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方式中，液體噴射器將液體注入到內(nèi)燃機(jī)中。在一個(gè)實(shí)施方式中，液體 噴射器將液體注入到往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中。在一個(gè)實(shí)施方式中，液體噴射器 將液體注入到往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣端口、進(jìn)口歧管或排氣路徑中。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施方式中，噴嘴的外部的噴孔排列成與噴嘴的中屯、軸線相距相同的徑向 距離并且等角地間隔開。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方式中，噴孔可排列成與噴嘴的中屯、軸線相距相同的徑向距離并不等 角地間隔開。在一個(gè)實(shí)施方式中，噴嘴在外端上限定凹形截面，所述噴孔位于所述凹形截面 中。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施方式中，對于在任何平面上的所有噴孔而言，由噴孔軸線上的線到在 噴嘴外端處指向相鄰噴孔的中屯、軸線限定的角度是相等的。
[0020] 在一個(gè)實(shí)施方式中，在所述噴嘴的中屯、設(shè)置有一個(gè)額外的噴孔。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施方式中，噴孔的數(shù)量大于2,并且可具有高達(dá)50個(gè)噴孔的范圍。流體動(dòng) 力學(xué)表示兩個(gè)噴孔的液體噴射在碰撞之后提供扁平的扇形擴(kuò)散云，而=個(gè)或更多個(gè)噴孔將 提供=維圓形云。更大數(shù)量的噴孔具有更大的液體輸出（所有其他因素相同）。在發(fā)動(dòng)機(jī) 應(yīng)用中，例如，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射器主體可具有大約8mm的直徑并且具有2個(gè)到6個(gè)噴 孔。用于靜止式重型柴油機(jī)的噴射器可具有噴射器主體，該主體具有大約5cm的直徑并且 具有3個(gè)到30個(gè)或更多的噴孔。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施方式中，噴射器是在內(nèi)燃機(jī)中的燃料噴射器或水噴射器。在一個(gè)實(shí)施 方式中，從水溶液、水W及液體碳氨化合物燃料中選擇在噴射器中的液體。在一個(gè)實(shí)施方式 中，噴射器是燃料噴射器并且從柴油燃料、JP8、酒精、或汽油、或其混合物中選擇液體。
[0023] 在一個(gè)實(shí)施方式中，計(jì)量裝置是電磁閥控制的柱銷或壓電控制的柱銷。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施方式中，噴射并非都具有相等的入口壓力或噴孔直徑W及碰撞速度或 力。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施方式中，根據(jù)所需要的流速，噴孔直徑可具有從大約50ym到大約 5000ym或更大的范圍。在一個(gè)實(shí)施方式中，噴孔直徑具有從大約200ym到大約400ym的 范圍，并且所述液體是碳氨化合物燃料。在一個(gè)實(shí)施方式中，噴孔直徑具有從大約300ym 到大約700ym的范圍，并且所述液體是水或水溶液。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施方式中，液體壓力具有從大約1己到大約5000己的范圍。
[0027] 在一個(gè)實(shí)施方式中，液體在限定每個(gè)噴射的噴孔處的速度大于lOm/s，并且在另一 個(gè)實(shí)施方式中，其具有從大約20m/s到大約500m/s的范圍。
[0028] 在一個(gè)實(shí)施方式中，在噴孔與碰撞點(diǎn)之間的距離小于在彼此相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)最遠(yuǎn) 噴孔之間的距離的3倍。
[0029] 在一個(gè)實(shí)施方式中，在噴孔與碰撞點(diǎn)之間的距離比液體噴射的'液體長度'更短。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施方式中，由任何兩個(gè)噴射限定的角度具有從大約20°到大約180°的 范圍。
[0031] 在一個(gè)實(shí)施方式中，本發(fā)明的噴射器可具有兩個(gè)或更多個(gè)焦點(diǎn)，其中，至少兩個(gè)噴 射在每個(gè)焦點(diǎn)處相交。因此，一個(gè)實(shí)施方式提供了一種產(chǎn)生霧化液的液體噴射器，其具有向 噴射器的主體供給的液體的加壓源，其中，所述主體具有液體入口、位于主體內(nèi)部或外面的 液體計(jì)量裝置W及包括噴嘴的液體出口；其中，所述噴嘴包括兩個(gè)或更多個(gè)噴孔，液體的加 壓液體噴射源自所述噴孔，其中，每個(gè)噴射均瞄準(zhǔn)噴射器外面的共同焦點(diǎn)，其中，加壓液體 噴射在所述焦點(diǎn)處的碰撞產(chǎn)生霧化形式的液體，其中，存在兩個(gè)或多個(gè)離散焦點(diǎn)；其中，所 述計(jì)量裝置在精確的開始和停止時(shí)間提供精確量的液體流。
【附圖說明】
[0032] 參照下文的描述、所附權(quán)利要求W及附圖，將更好地理解本發(fā)明的該些和其他特 征、方面W及優(yōu)點(diǎn)，附圖中：
[0033] 圖1A示出了本發(fā)明的示意性實(shí)施方式；
[0034] 圖1B示出了圖1A的示意圖，但其在打開的位置中具有柱銷；
[0035] 圖2示出了從圖1A中由下往上看的本發(fā)明的噴射器的示意圖；
[0036] 圖3A-F示出了各種噴孔圖案；
[0037] 圖4示出了待分散的液體噴射的幾何示意圖；
[0038] 圖5A-C是模型的結(jié)果的一個(gè)實(shí)例，基于造成滿足噴射分散條件的力平衡，從結(jié)果 中導(dǎo)出待分散的噴射長度的表達(dá)；
[0039] 圖6A到圖6E示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的制造工藝；
[0040] 圖7A和圖7B示出了實(shí)際現(xiàn)有技術(shù)噴射器（圖7A)和本發(fā)明的噴射器（圖7B)的 噴霧圖案；
[0041] 圖8A和圖8B是用于柴油機(jī)的燃料流量發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的繪圖，其示出了，對于相同的 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷而言，本