具有碰撞喷射的液体喷射器雾化器的制造方法
【专利说明】具有碰撞喷射的液体喷射器雲化器
[0001] 相关申请的交叉引证
[0002] 本申请要求于2012年11月20日提交的美国临时专利申请第61/728, 525号、于 2013年6月24日提交的美国临时专利申请第61/838, 675号W及于2013年10月15日提 交的美国临时专利申请第61/891，118号的优先权。上面指出的该些美国临时专利申请通 过引证结合于此。
技术领域
[0003] 本发明设及用于产生雾化液的设备和方法。更具体地，本发明设及一种用于内燃 机的雾化液体喷射器。
【背景技术】
[0004] 实现用于注入到往复式或旋转式内燃机中的液体的有效雾化是火花点火、压缩点 火（柴油）或连续式内燃机的设计和操作的一个重要方面。现有技术方法包括使用非常高 的压力、使用非常小的喷孔、W及使用将液体流分散的防冲板或小柱形障碍物。
[0005] 实现用于往复式或旋转式内燃机中的冷却、减少爆震、NOx降低的有效雾化是设计 和操作的一个重要方面，并且相对于更大的燃料经济性和更低的排放提供大量优点。
[0006] 液体燃料和水通常注入到发动机中。燃料可为柴油型燃料、汽油（石油）、酒精及 其混合物。柴油型燃料包括JP-8、喷气燃料W及煤油。酒精包括与汽油共同混合在一起的 己醇和甲醇。水通常注入到发动机中，W提供内部冷却效应、爆震、NOx降低，并且该是因为 在燃烧期间，尤其是如果在通过外部冷却和排气损失的热量中存在净减少，则由转化成蒸 汽的液态水提供大膨胀系数。
[0007] 现代发动机通常使用燃料喷射，W将燃料引入到发动机中。该种燃料喷射可为端 口喷射或直接喷射。在端口喷射中，燃料喷射器位于进气轮系或进口歧管中的在汽缸之前 的某个点上。在直接喷射中，喷射器位于每个汽缸中。
[0008] 注入到汽缸内中燃料和其他液体的雾化较为重要。最佳地，在注入的液体流与发 动机的任何内部表面接触之前，将任何喷射的液体雾化。如果液体接触汽缸表面，则可洗掉 润滑剂和沉积物，该引起次佳燃烧。在燃烧期间沉积的燃料引起碳沉积、更大的排放W及更 小的发动机功率。可替换地，在注入水时，非润滑的内表面（例如，汽缸盖和活塞表面）上 的冲击可提供一些优点。
[0009] 在传统的燃料喷射器或雾化器内的喷雾构造通常是锥形的，其通常具有縱祸，但 该个构造不受限制并且可导致在直接喷射系统中的活塞和汽缸壁部上冲击液体。尤其在高 压缩发动机中，顶部空间非常有限，该使得更加难W在该种发动机中进行雾化，而不与发动 机内表面上的液体流接触。
[0010] 有效雾化的一种方法在于使用高压液体喷射和小喷孔，但高压系统昂贵并且容易 发生故障，而且小喷孔容易堵塞。
[0011] 有效雾化的一种方法还在于与液体一起使用气动剪切，其中，高压的快速运动的 空气用于对液体流进行剪切，w实现雾化。该种方法本身在使液滴分散方面具有限制。此夕F，所W如果有可能的话，由于在高压下提供空气或气体，具有复杂性，所W难W在直接喷 射构造中该应用。
[0012] 在液体燃料的火箭发动机中还已知碰撞式喷射件，其为将燃料和氧化剂混合在一 起的装置。用于内燃机的喷射器与现有技术的火箭发动机的不同之处在于，火箭发动机喷 嘴不是'开始-保持-停止'型计量装置，而用于内燃机的喷射器被设计为根据命令而输送 特定量的液体。该需要随着时间小屯、控制流速，该通常通过电磁阀来实现，但还可通过液压 先导驱动、液压放大、压电堆叠、气动装置或其他方法来控制。而且，在火箭发动机中的碰撞 式喷射旨在用作混合方法，其中，注入两个单独的流体（通常是燃料和氧化剂），W相互作 用并起反应，而非用作仅用于将流体分散成液滴或雾化喷射的机构。
[0013] 传统的雾化器和喷射器使用高压来促使液体通过小喷孔。因此，由施加压力所提 供的动能几乎完全用于使流体加速，并且由于空气剪切、阻力或拖曳而发生任何分散或雾 化。通过观察和理论，显然在开始分散之前喷射行进大量距离。在具有有限的腔室尺寸（在 大部分客车中为大约10cm)的内燃机中，在分散之前的喷射的"液体长度"或长度比在燃烧 室内离喷射器尖端最远的点更高。该表示在分散之前，喷射将对活塞和/或汽缸壁部进行 冲击。需要一种新机构来实现更好的分散。
【发明内容】
[0014] 本发明的一个实施方式包括；喷射器壳体；液体入口，该液体入口被构造为禪接 至液体的外部源；柱销阀，该柱销阀与所述液体入口流体连通，所述柱销阀被构造为能调节 地测量来自液体的外部源的液体流；W及多个液体通道，该液体通道与柱销阀流体连通并 且终止于形成在喷射器壳体的外表面上的相应的倾斜喷孔，所述液体通道被确定尺寸且倾 斜成将相应的液体喷射引入位于远离形成倾斜喷孔的平面的限定位置处的共同碰撞点中。 所述限定位置沿着雾化喷射器的中屯、轴线定位在与外表面相距的一距离处，所述距离被确 定尺寸成使雾化液在外表面上的冲击最小化并且小于满足等式L=dXCXSM或等式L= (A"AP)/[o+Cd"XAP/pJ，C= (PanCd。/^的较小值的液体长度距离，其中，d是Wm 为单位的倾斜的喷孔直径，m是常数，并且SM是由（V/ 0 )X(2APXP)I/2限定的系数，其 中，V是WmVs为单位的运动粘度，0是WN/m为单位的表面张力，AP是WN/m2为单位 的在倾斜的喷孔之上的压降，并且P是Wkg/m3为单位的流体密度，其中，d。是Wm为单位 的倾斜的喷孔直径，A"=JTCU2/4是为单位的喷孔面积，AP是WN/m2为单位的在倾 斜的喷孔之上的压降，0是WN/m为单位的表面张力，P^是Wkg/m3为单位的流体密度， P。是Wkg/m3为单位的空气密度，并且Cd。是在轴向流动中的汽缸的表面摩擦阻力系数。
[0015] 制造本发明的一个实施方式，钻凿第一液体通道，所述第一液体通道从喷射器主 体的外表面中延伸到设置在形成于喷射器主体中的腔体内的柱销座部；钻凿第二液体通 道，所述第二液体通道从喷射器主体的喷嘴梢的外表面延伸，W在各自的第一液体通道的 非端部区域处与第一液体通道相交，所述第二液体通道终止于喷孔，所述喷孔形成在喷射 器主体的喷嘴梢的外表面上并且W-角度倾斜，第二液体通道被构造为引导离开喷孔的喷 射，W在喷射器主体外面的限定点处发生碰撞；W及在喷射器主体的外表面与第一液体通 道和第二液体通道的交叉点之间密封第一液体通道。
[0016] 在一个实施方式中，液体喷射器将液体注入到内燃机中。在一个实施方式中，液体 喷射器将液体注入到往复式或旋转式内燃机的燃烧室中。在一个实施方式中，液体喷射器 将液体注入到往复式内燃机的进气端口、进口歧管或排气路径中。
[0017] 在一个实施方式中，喷嘴的外部的喷孔排列成与喷嘴的中屯、轴线相距相同的径向 距离并且等角地间隔开。
[0018] 在一个实施方式中，喷孔可排列成与喷嘴的中屯、轴线相距相同的径向距离并不等 角地间隔开。在一个实施方式中，喷嘴在外端上限定凹形截面，所述喷孔位于所述凹形截面 中。
[0019] 在一个实施方式中，对于在任何平面上的所有喷孔而言，由喷孔轴线上的线到在 喷嘴外端处指向相邻喷孔的中屯、轴线限定的角度是相等的。
[0020] 在一个实施方式中，在所述喷嘴的中屯、设置有一个额外的喷孔。
[0021] 在一个实施方式中，喷孔的数量大于2,并且可具有高达50个喷孔的范围。流体动 力学表示两个喷孔的液体喷射在碰撞之后提供扁平的扇形扩散云，而=个或更多个喷孔将 提供=维圆形云。更大数量的喷孔具有更大的液体输出（所有其他因素相同）。在发动机 应用中，例如，用于汽车发动机的喷射器主体可具有大约8mm的直径并且具有2个到6个喷 孔。用于静止式重型柴油机的喷射器可具有喷射器主体，该主体具有大约5cm的直径并且 具有3个到30个或更多的喷孔。
[0022] 在一个实施方式中，喷射器是在内燃机中的燃料喷射器或水喷射器。在一个实施 方式中，从水溶液、水W及液体碳氨化合物燃料中选择在喷射器中的液体。在一个实施方式 中，喷射器是燃料喷射器并且从柴油燃料、JP8、酒精、或汽油、或其混合物中选择液体。
[0023] 在一个实施方式中，计量装置是电磁阀控制的柱销或压电控制的柱销。
[0024] 在一个实施方式中，喷射并非都具有相等的入口压力或喷孔直径W及碰撞速度或 力。
[0025] 在一个实施方式中，根据所需要的流速，喷孔直径可具有从大约50ym到大约 5000ym或更大的范围。在一个实施方式中，喷孔直径具有从大约200ym到大约400ym的 范围，并且所述液体是碳氨化合物燃料。在一个实施方式中，喷孔直径具有从大约300ym 到大约700ym的范围，并且所述液体是水或水溶液。
[0026] 在一个实施方式中，液体压力具有从大约1己到大约5000己的范围。
[0027] 在一个实施方式中，液体在限定每个喷射的喷孔处的速度大于lOm/s，并且在另一 个实施方式中，其具有从大约20m/s到大约500m/s的范围。
[0028] 在一个实施方式中，在喷孔与碰撞点之间的距离小于在彼此相距最远的两个最远 喷孔之间的距离的3倍。
[0029] 在一个实施方式中，在喷孔与碰撞点之间的距离比液体喷射的'液体长度'更短。
[0030] 在一个实施方式中，由任何两个喷射限定的角度具有从大约20°到大约180°的 范围。
[0031] 在一个实施方式中，本发明的喷射器可具有两个或更多个焦点，其中，至少两个喷 射在每个焦点处相交。因此，一个实施方式提供了一种产生雾化液的液体喷射器，其具有向 喷射器的主体供给的液体的加压源，其中，所述主体具有液体入口、位于主体内部或外面的 液体计量装置W及包括喷嘴的液体出口；其中，所述喷嘴包括两个或更多个喷孔，液体的加 压液体喷射源自所述喷孔，其中，每个喷射均瞄准喷射器外面的共同焦点，其中，加压液体 喷射在所述焦点处的碰撞产生雾化形式的液体，其中，存在两个或多个离散焦点；其中，所 述计量装置在精确的开始和停止时间提供精确量的液体流。
【附图说明】
[0032] 参照下文的描述、所附权利要求W及附图，将更好地理解本发明的该些和其他特 征、方面W及优点，附图中：
[0033] 图1A示出了本发明的示意性实施方式；
[0034] 图1B示出了图1A的示意图，但其在打开的位置中具有柱销；
[0035] 图2示出了从图1A中由下往上看的本发明的喷射器的示意图；
[0036] 图3A-F示出了各种喷孔图案；
[0037] 图4示出了待分散的液体喷射的几何示意图；
[0038] 图5A-C是模型的结果的一个实例，基于造成满足喷射分散条件的力平衡，从结果 中导出待分散的喷射长度的表达；
[0039] 图6A到图6E示出了本发明的一个实施方式的制造工艺；
[0040] 图7A和图7B示出了实际现有技术喷射器（图7A)和本发明的喷射器（图7B)的 喷雾图案；
[0041] 图8A和图8B是用于柴油机的燃料流量发动机负荷的绘图，其示出了，对于相同的 发动机负荷而言，本